卫星为什么不会因为地球的引力吸引而落入地球呢?

bdqnwqk4个月前问题16

传说牛顿是受苹果落地砸到头上的影响,才提出宇宙中任何两个物体之间都存在着吸引力,这个力和两者质量的乘积成正比,和之间距离成反比,这也就是万有引力定律。同时牛顿发现,他的万有引力定律,不光能解释苹果的落地,还可以用来解释行星绕太阳的运动情况。

当然,现在我们也可以用中学物理学到的万有引力,来解释卫星绕地球的运动情况。绕地球运行的物体都会受到万有引力吸引,对于卫星来讲,它受到地球的万有引力充当了其环绕地球运动向心力的效果,卫星就可以做类似匀速圆周运动。

人造卫星在地面上空做轨道运动,简单来算的话,联立向心力和万有引力公式,就得到卫星绕地球圆轨道运动的速率。对于低轨道的卫星和空间站等航天器来讲,由于还有稀薄大气的阻力,如果不施加动力修正轨道的话,最终还是会跌向地球的。

但对于高轨道的卫星,则不受阻力影响。例如我国的第一颗人造卫星,东方红一号,发射几十年了,至今还运行在近地点430千米,远地点2300千米的轨道上。

欢迎关注量子实验室,评论里请留下您的见解。理想状态的答案主要是因为地球的吸引力刚好用作卫星绕地球作圆周运动的向心力了,没有多余的力吸引卫星下落。当然前提就是卫星有这个圆周运动的初速度。这个初速度有一个最小值,为7.9公里/秒,就是人们常说的第一宇宙速度。

只要达到了这个速度以上,卫星就不会因地球的吸引力而落于地球,在绕转地球的过程中不需要任何燃料能量。这个初速度主要就是运载火箭发射卫星时提供。这就是这个问题的答案,当然这只是在理想状态下的答案。理想状态指的是卫星完全处在真空中,并且不受别的天体的扰动。

卫星实际下落情况的影响因素及应对措施一,主要影响因素

实际上理想状态是达不到的,理论上卫星因大气阻力最终都会坠落地球。就说地球大气层厚度有1000多公里,探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气,有人估计大气上层能延伸到6400公里。当然大气主要集中在100公里以下,其中75%又集中在了离地面10公里以内的对流层。

地球卫星一般在距地二百公里到数万公里。所以越是近地轨道的卫星受大气影响越明显,特别是质量大体积大的卫星受到大气影响轨道更容易下降。

二,应对措施和轨道因素

像重400多吨距地397公里的国际空间站每天轨道下降65米,需定期抬高轨道,否则很快会坠落地球。一般采用和空间站对接的载人飞船和货运飞船携带的动力来抬高运行轨道高度。而一般卫星则是用自身携带的推进剂和轨控发动机来定期提升自己的轨道,所以携带推进剂的多少往往决定卫星的寿命。

像一些通信卫星一般都是地球同步轨道,距地近36000公里,在这个高度大气几乎没有,所以它的轨道损失很小,携带的推进剂可以延长卫星很长寿命,所以它们的设计寿命一般都在15年以上。

还有一些大椭圆轨道的卫星运行时间都很长,像我国1970年4月24日发射的首颗卫星“东方红一号”,

它就是一个近地点439公里、远地点2384公里的大椭圆轨道,设计寿命20天,可直到今天为止仍在轨道运行(实际寿命28天),仍没有坠落地球,主要原因就在于它的近地点速度较大(大于环绕地球7.9公里/秒的第一宇宙速度),大于与近地点高度相同的正圆轨道的运行速度,所以它不容易掉落地球。当然它的轨道较高,所处大气稀薄,也是一个原因。但也会受影响逐渐下落,到2009年2月时近地点430公里,远地点2075公里,近四十年近地点下降仅9公里,预计还能运行百年。但无论如何,最终还是会落入地球。

由上看出,在大气影响下,轨道高度和运行速度是决定卫星运行时间的重要因素,但这些由任务要求来决定。所以在满足任务要求的前提下,及时提升轨道是最有效的办法。因此燃烧推进剂提升轨道显得尤为重要,但推进剂携带数量有限,如果能随时对卫星进行推进剂补加就太完美了。为此我国早开始了这一方面的研究和实践,2017年4月20日成功发射天舟一号货运飞船成功掌握航天器在轨补加技术,并在此前后多次在其他卫星上进行了成功实践。

我国有一个专门计划,准备对一些在轨卫星进行推进剂补加,延长卫星使用寿命,据估算成本比重新发射要划算。据说美国也有类似计划,预祝我们国家捷足先登。

以上是对地球人造卫星短时间不会坠落地球而最终还是会落入地球的原因分析和应对措施。而对于地球的天然卫星――月球又是如何呢?

月球距地球平均距离38.4万公里,月球所处轨道是没有大气的,因此月球运行不受大气的影响。按上面的道理讲它永远不会离开它现在的轨道而落入地球或离开地球,而实际上月球虽然不受大气影响,但由于它的巨大质量,太阳及其他天体对它的影响不能忽视,尤其是太阳,据计算太阳对月球的引力是地球对月球引力的两倍多。

所以在这些天体的共同复杂作用下,月球不但不向地球坠落,反而每年以3.8厘米的速度在远离地球。