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发射卫星要达到第一宇宙速度吗?带你了解卫星那些事?

发布时间:2019年07月10日 点击数: 收藏 打印文章

牛顿曾经研究过这样一个问题,人掷出去的石头,由于受到重力作用,总会偏离初方向落回地面。于是他提出了一个大炮的设想:在地球的一座高山上,架起一只水平的大炮,以不同的速度将炮弹平射出去,当炮弹的速度比较小的时候,炮弹会在重力作用下,偏离原来的运动方向落在附近的A点;如果增大炮弹的出射速度,炮弹就会做初速度更大的平抛运动,落在比A更远的B点;如果继续增大炮弹的出射速度,炮弹就会飞得更远一些。

炮弹的出射速度越大,炮弹落点就离山脚越远。如果地面是个平面,即使炮弹出射速度再大、飞行再远,炮弹也最终会落回地面。但是地球是圆的,这样炮弹就有可能不再落回地面转而绕地球飞行了。并且实际上,地球对它的引力时刻指向地心,在这个力作用下,如果炮弹初速度合适,轨迹就有可能是个圆,此时引力就充当向心力,炮弹环绕地球做匀速圆周运动,永远不会落地。这个初速度就是第一宇宙速度。

第一宇宙速度跟卫星的运行速度和发射速度又是什么关系呢?运行速度,顾名思义,就是卫星在轨道上实际的运行速度。从能量的观点说,不考虑阻力的影响,在总能量一定的条件下,高度越高,势能就越大、动能就越小。如果卫星绕地球做匀速圆周运动,轨道半径越大,它的运行速度就越小。近地卫星因为其轨道半径最小,所以其运行速度最大。

发射速度指的是卫星发射之后,卫星与火箭分离时所达到的速度。那么不同卫星的发射速度又该如何比较呢?当卫星质量一定时,卫星的轨道半径越大,它所应该具有的机械能就应该越大,因此在发射这颗卫星的时候就必须要给它更大的速度才能达到应该有的高度。也就是卫星的轨道半径越大,它的发射速度就越大。近地卫星因为其轨道半径最小,所以其发射速度最小。

随着卫星轨道半径变大,所需发射速度就变大,而运行速度却变小了,这是咋回事呢?

原来卫星发射之后继续上升,受地球的引力作用,速度就会减小。只有近地卫星,因为轨道近似就在地球表面,发射速度近似等于运行速度,其他轨道卫星发射之后要上升高度,受地球引力减速,所以最终运行速度都小于发射速度。这样就知道了,近地卫星所需要的发射速度最小,并且还近似等于它的运行速度。发射卫星所需要的最小速度就通过近地卫星运行速度来计算,卫星在地球表面做匀速圆周运动,万有引力充当向心力,只需一步就能解出这个运行速度,它等于7.9km/s,这就是第一宇宙速度的值。

总结一下,第一宇宙速度与运行速度、发射速度都是不同的概念。第一宇宙速度是卫星的最小发射速度,同时也是卫星的最大运行速度。即想上天,卫星的发射速度必须要达到第一宇宙速度。至于到了天上,卫星的运行速度就可以低于第一宇宙速度了,且随着高度的增加而减小。卫星上天发射速度必须超过第一宇宙速度,运行速度却可以小于第一宇宙速度。

本文由空军指挥学院教授徐邦年进行科学性把关。

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