卫星为什么不会掉下来？
2015年3月19日 14:33 作者:骆杨阳卫星为什么不会掉下来？
骆杨阳
摘要：卫星，指在宇宙中所有围绕行星轨道上运行的天体，环绕哪一颗行星运转，就把它叫做那一颗行星的卫星，环绕地球就叫做地球卫星。当物体以很大的速度发射时，它将做作圆周运动。此时会产生一离心力，此离心力的大小与转速平方成正比。速度越大则离心力越强，当离心力与地心引力平衡时物体即可环绕地球不停的运转，所以只要人造卫星的飞行速度大到能平衡地心引力的地步，就可不停止的飞行而不掉落。
关键词： 轨道 圆周运动 离心力 地心引力
1.卫星的基本认识
1.1椭圆轨道及其参数的的认识
在地球引力的作用下，要使物体环绕地球作圆周运动，那么必须使得物体的速度达到第一宇宙速度。如果卫星所需的向心力恰好和其所受万有引力相等，则它将作圆周运动。若其所需向心力大于地球引力，这是物体的运动轨迹就变成椭圆轨道了。物体的速度比环绕速度（作圆周运动时的速度）大得越多，椭圆轨道就越“扁长”，直到达到第二宇宙速度，物体便沿抛物线轨道飞出地球引力场之外。 因为发射卫星和飞船时，入轨点的速度控制不可能绝对精确，速度大小的微小偏离，和速度方向与当地的地球水平方向间的微小偏差，都会使航天器的轨道不是圆形二是椭圆形，椭圆扁率取决于入轨点的速度大小和方向。
人造卫星的轨道参数（轨道根数），对于人造地球卫星轨道的形状、大小、在空间的方位以及卫星在特定时 刻所处的位置，人们通常用一些特殊的量来描述，这些“量”被称为“轨道参数”，最常用的是经典轨道常数，即开普勒轨道常数，用来描述在空间中的卫星的轨道。可以用这些常数递推出卫星在过去或将来的位置。有以下六个： 1．轨道倾角 i——赤道平面与卫星轨道平面间的夹角 2．升交点赤经Ω——从春分点（以地球为中心观察:太阳从南半球王北半球运动时，跟地球赤道平面相交的点）到卫星升交点（卫星由南半球往北半球穿过赤道平面的那一点，反之为降交点）的经度。 3．近地点幅角ω——地心与升交点连线 和 地心与近地点连线 间的夹角 4．椭圆半长轴a 5．椭圆偏心率e 6．卫星通过近地点的时刻t 前5个参数实际描述了3个问题：轨道平面在空间中的方位；椭圆轨道在轨道平面中的取向（长轴指向）；椭圆轨道的形状和大小。
1.2人造卫星的周期及寿命
人造卫星的周期，由开普勒第三定律可知：运行周期的长短与半长轴有关，与半短轴无关 。即：
大致可以这样说： 距地面高度180~500km 运行周期约90分钟。距地面高度1 万 km 运行周期约6小时 。距地面高度3.6万 km 运行周期约24小时 。通常把运行周期为24小时的卫星叫“同步卫星”且相对地面静止（运转方向和地球自转方向相同，轨道在赤道上空）的同步卫星叫“地球同步卫星”。
人造卫星的寿命，由于在地球的外层空间，即使气体分子极其稀少，仍然会对卫星的运行形成阻力，使它不断降低运行高度，以至最终进入稠密大气层销毁。因此，简单的说，轨道越高，真空度越高，卫星的运行寿命也就越长。（有效寿命——工作时间还受星上设备元件等影响，所以，卫星真正实用的时间多这几年，少者只有几天甚至更少）
2.卫星运行的基本原理
2.1 卫星的发射过程
首先，当装有卫星的运载火箭耸立在发射台上，全部准备工作完毕，按照"倒计数程序"进入最后预备阶段。随着地面控制中心的发射指令："
运载火箭从地面发射到把有效载荷送入预定轨道，称为发射阶段。在这一阶段所飞经的路线就叫做发射轨道。运载火箭的发射轨道一般为三大部分，即加速飞行段。惯性飞行段和最后加速段。运载火箭垂直起飞后 10秒钟数到0秒钟后，开始按预定程序缓慢地转弯。发动机继续工作约100多秒后，运载火箭已上升到70千米左右高度，基本达到所需的入轨速度和与地面接近平行的方向时，第一级火箭发动机关机分离，同时，第二级火箭发动机点火，继续加速飞行。此时，已飞行 2-3分钟，高度已达150千米一200千米，基本已飞出稠密大气层，按预定程序抛掉箭头整流罩。接着，在火箭达到预定速度和高度时，第二级火箭发动机关机、分离，至此加速飞行段结束。
这时，运载火箭已获得很大动能，在地球引力作用下，开始进入惯性飞行段，一直到与卫星预定轨道相切的位置，第三级火箭发动机开始点火，进入最后加速段飞行。当加速到预定速度时，第三级火箭发动机关机，卫星从火箭运载器弹出，进入预定的卫星运行轨道。
2.2卫星运行的主要原理
根据物理学原理可知，当物体作圆周运动时即会产生一离心力，此离心力的大小与转速平方成正比。因此速度越大则离心力越强，当速度足够大时即有地球对人造卫星的引力和卫星的离心力保持着平衡，由于在卫星上装有自旋的稳定装置，使卫星环绕自身的轴线快速地飞转。而一个向前运动同时又快速自转的物体，运动的方向就不会受到外界的影响。而且对于一些不适合通过自旋来保持稳定的卫星，另外还设有自动纠偏系统，当卫星偏离轨道时会马上作出反应产生推力，让卫星正常运行。因此只需要保证人造卫星的飞行速度大到能平衡地心引力，并且不受外力的影响，卫星便可不停飞行而不掉落。
3.卫星的类别及其用途
3.1卫星的分类
按运行轨道分：低轨道卫星、中轨道卫星，高轨道卫星、地球同步轨道卫星、地球静止轨道卫星、太阳同步轨道卫星、大椭圆轨道卫星和极轨道卫星。
按用途分：它可分为三大类：科学卫星，技术试验卫星和应用卫星。
3.2卫星的主要用途
（1）科学卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星，用来研究高层大气，地球辐射带，地球磁层，宇宙线、太阳辐射等，并可以观测其他星体。
（2）技术试验卫星是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星。航天技术中有很多新原理，新材料，新仪器，其能否使用，必须在天上进行试验；一种新卫星的性能如何，也只有把它发射到天上去实际“锻炼”，试验成功后才能应用；人上天之前必须先进行动物试验……这些都是技术试验卫星的使命。
（3）应用卫星是直接为人类服务的卫星，它的种类最多，数量最大，其中包括：通信卫星，气象卫星，侦察卫星，导航卫星，测地卫星，地球资源卫星，截击卫星，军用卫星等。
4.卫星的发展方向及其前景
（1）宽带卫星多媒体通信是卫星通信的发展方向 ，随着未来宽带系统的出现，必将会解决Internet向前发展的难题，其次，进一步推动发达国家、发展中国家信息化设施建设的技术发展，扩大卫星通信产业的规模，开辟卫星通信新市场 ，因此这是发展方向之一。
(2)现代小卫星的应用必将会得到推广，小卫星研制周期短，非常适应战争急需，又特别适用于科学实验和技术演示（飞行实验）的飞行任务。所以小卫星的也是未来卫星的发展方向之一。
（3）建立运行更加稳定的卫星遥感系统，继续研制发射更先靳的气象卫星和资源卫星，能使系统稳定、连续运行，并要积极研制开发海洋监测卫星，因为这是目前我国尚属缺项的遥感卫星，所以这也必将是未来卫星的发展方向之一。
参考文献
[1].《理论力学》 李俊峰
[2].《大学物理学－力学》 张三慧
[3].《人造地球卫星轨道力学》 刘林
[4].朱军 王培国《卫星通信技术及其发展趋势》
[5].甘仲民《卫星通信技术的新发展》
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