卫星是如何进入轨道并长时间停留的？

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每天有一千多颗人造卫星围绕地球运转，这些卫星在许多领域都发挥了重要作用，包括全球数字通信、天气预报、无线电和电视信号的传输、军事行动以及其他对我们生活方式和文明产生重大影响的各种关键领域。

GOES-8：一颗退役的美国气象卫星。（图片来源:NOAA太空收藏/维基百科）

然而，当你在看洋基队的现场比赛或打电话给远在千里之外的朋友时，你有没有想过这一切是如何实现的?一颗人造卫星是如何被送入环绕地球的轨道，并在那里停留数年甚至数十年的呢?

人造卫星是如何发射的?

每一颗人造卫星都有一个明确的用途。有些卫星是为了观察某一地区的各种地理情况，有些卫星是作为间谍卫星使用的，还有更多的卫星是由私人组织发射的，目的是向全世界广播通信信号。不论卫星的类型和用途如何，每颗卫星都必须进入一个特定的轨道，即进入环绕地球的轨道。

围绕地球的轨道类型(基于轨道高度分类)

取决于各自的高度从地球表面,地球周围有四个主要类型的轨道,即低地球轨道(国际空间站所在的轨道),中地球轨道(GPS卫星所在的轨道)、地球静止轨道和高地球轨道 (只包含少量的卫星,美国宇航局的星际边界探测器)。

不同地球轨道的高度(图片来源:Rrakanishu / wikimedia)

到目前为止，大多数功能强大的人造卫星在低轨道运行，而其他一些人造卫星则在地球静止轨道和中轨道运行。

卫星需要有很高的水平速度才能进入轨道

一颗人造卫星几乎没有足够的加速能力来穿过厚厚的大气层，独自到达太空。为了帮助它实现这一目标，它被安装在一个运载火箭上——火箭在最终分离并落回地球之前可以给卫星加速。

火箭发射过程在空间的轨迹

根据一个有趣的物理现象，艾萨克·牛顿爵士第一次提出假设，火箭不是沿着直线上升，而是沿着弯曲的轨道进入轨道。

牛顿炮弹

假设你有一门大炮，并想从中发射一颗炮弹。为了尽可能远地把球发射出去，显然需要站在高处发射，这样球的路径上就不会有任何障碍物。大炮发射的威力越大，也就是说当炮弹的水平速度越大时，它在落地前运动得就越远。

如果继续增加炮弹的水平速度，当它速度达到足够快时（水平速度达到每秒7300米），它将不会在落到地面上，而是继续沿着固定的圆形轨道环绕着我们的星球运动。下面的动画将帮助你更好地想象这一点:

发射人造卫星的原理也完全相同。人造卫星是垂直发射的，所以它能以最快的速度穿过大气层最厚的部分。然而一旦卫星到达预定高度，火箭的大部分推进力就会被用来水平加速，使其进入稳定的绕地轨道。

这就是为什么发射的卫星遵循抛物线轨迹，而不是直线上升。

注意火箭的路径是如何逐渐弯曲的(图片来源:pixabay)

由于地球对低轨道卫星的引力最大，所以低轨道卫星比中轨道或静止轨道上的卫星受到的引力更大。正因为如此，低轨道卫星的轨道速度比高轨道上的要快得多，即它们有更高的轨道速度。

国际空间站在低地球轨道上运行，以大约每秒8公里的惊人速度环绕地球。要想知道它到底有多快，你可以这样想:如果你从一个足球场的一端发射一颗来福枪子弹，国际空间站会在子弹射出10码（约9.14米）之前穿过足球场!(图片来源:维基百科)

既然我们已经了解了卫星是如何进入轨道的，让我们来看看它是如何独自在轨道上停留几年或几十年的。

卫星是如何在轨道上长期停留的?

这也可以用牛顿的炮弹思维实验来解释。为了让卫星保持在它的轨道上，它必须以惊人的速度绕着地球转，这样它才不会坠落到地面。如此高的速度是通过卫星自身引擎的推力来实现的(在火箭脱离后)。

需要注意的是，这些卫星实际上一直在向地面坠落;只是它们的水平速度如此之高，以至于当它们朝着地面靠近时，地球表面在它们下面发生弯曲。尽管如此，由于空气动力学阻力，靠近地球的卫星确实比位于更高轨道的卫星更快地失去高度(发生“轨道衰减”)。

国际空间站每天大约有100米的“轨道衰减”，换句话说，每24小时它的高度就会降低100米。(图片来源:维基共享)

这样的卫星(包括国际空间站)必须不断地进行推进以保持它们的轨道高度，避免落回地球。

简而言之，卫星离地球越近，它向地球靠近的速度就越快。为了确保不会落回地球，卫星必须有一个非常大的水平速度，这基本上意味着必须投入很多资金来充分装备卫星与所有必要的机械设备和燃料。这就是为什么他们说研发卫星是个无底洞!

作者: sciabc

FY: Ivan

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