人造衛(wèi)星與相關(guān)地理知識(shí)解析

地球?qū)χ車(chē)矬w有引力作用，當(dāng)物體被拋出后它會(huì)落回地面，當(dāng)物體獲得足夠的速度時(shí)，它將圍繞地球旋轉(zhuǎn)，成為一顆繞地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星。人造衛(wèi)星主要有偵查衛(wèi)星、科學(xué)研究衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、地球資源勘探衛(wèi)星、科學(xué)研究衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星和測(cè)地衛(wèi)星等。

衛(wèi)星的線速度和角速度隨高度增大而減小，周期隨高度增大而增大。在周期、角速度、線速度和軌道半徑四個(gè)物理量中，當(dāng)一個(gè)量發(fā)生變化時(shí)，另外三個(gè)量一定同時(shí)變化。衛(wèi)星的軌道定軌后，其線速度、角速度、周期也一定確定。

一、人造地球衛(wèi)星的軌道

1.“赤道軌道”。軌道在赤道平面內(nèi)，與赤道平行。

2.“極地軌道”。軌道平面與赤道平面垂直，通過(guò)地球兩極上空。

3.其他軌道。軌道既不在赤道平面內(nèi)，又不與赤道平面垂直。

二、發(fā)射衛(wèi)星的宇宙速度

1.第一宇宙速度（環(huán)繞速度）。指人造衛(wèi)星近地環(huán)繞速度，是人造衛(wèi)星在地面附近環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所必須具有的速度，是人造衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，ν=7.9km/s。

2.第二宇宙速度（脫離速度）。在地面上（r=R）發(fā)射物體使之能脫離地球的引力作用，成為繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造衛(wèi)星所必須具備的最小速度，ν=11.2km/s。

3.第三宇宙速度（逃逸速度）。在地面上發(fā)射物體，使之能最后脫離太陽(yáng)的引力范圍，飛到太陽(yáng)系以外的宇宙空間所必須的最小速度，ν=16.7km/s。

當(dāng)衛(wèi)星的運(yùn)行速度為7.9km/s＜ν＜11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星的軌道是橢圓形的，地球在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上；當(dāng)16.7km/s>ν≥11.2km/s時(shí)，衛(wèi)星脫離地球束縛，成為太陽(yáng)系的一顆“小行星”。人造衛(wèi)星發(fā)射速度與環(huán)繞速度是兩個(gè)不同的概念，所謂發(fā)射速度是指被發(fā)射物在地面附近離開(kāi)發(fā)射裝置時(shí)的初速度，并且一旦發(fā)射后就再無(wú)能量補(bǔ)充，被發(fā)射物僅靠自己的初動(dòng)能克服地球引力上升至一定的高度，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)軌道。要發(fā)射一顆人造地球衛(wèi)星，發(fā)射速度就不能小于第一宇宙速度。若發(fā)射速度等于第一宇宙速度，衛(wèi)星只能“貼著”地面近地運(yùn)行，如果要使人造衛(wèi)星在距地面較高的軌道上運(yùn)行，就必須使發(fā)射速度大于第一宇宙速度。所謂環(huán)繞速度，是指衛(wèi)星在進(jìn)入軌道后繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線速度，即衛(wèi)星在軌道上的運(yùn)行速度。人造衛(wèi)星距地面越高（即軌道半徑r越大），運(yùn)行速度就越小。實(shí)際上，由于人造衛(wèi)星的軌道半徑都大于地球半徑，所以衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行速度一定小于發(fā)射速度。人造衛(wèi)星的發(fā)射速度與運(yùn)行速度之間的大小關(guān)系是：11.2km/s＞ν發(fā)射≥11.2km/s＞ν運(yùn)行。

三、同步衛(wèi)星的特點(diǎn)

地球同步衛(wèi)星就是與地球同步運(yùn)轉(zhuǎn)，相對(duì)地球靜止的衛(wèi)星，它的運(yùn)動(dòng)周期和地球的自轉(zhuǎn)周期相同，且它的軌道必然要和赤道平面處在同一個(gè)平面內(nèi)。它的特點(diǎn)如下：

1.周期一定。同步衛(wèi)星在赤道上空相對(duì)地球靜止，繞地球的運(yùn)動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)同步，運(yùn)動(dòng)周期等于地球自轉(zhuǎn)的周期。

2.角速度一定。同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的角速度等于地球自轉(zhuǎn)的角速度。

3.軌道一定。同步衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)與地球的自轉(zhuǎn)同步，這就決定了同步衛(wèi)星的軌道平面與赤道平面平行。又由于同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的向心力是地球?qū)πl(wèi)星的萬(wàn)有引力，決定了同步衛(wèi)星的圓周運(yùn)動(dòng)的圓心為地心。所以，所有同步衛(wèi)星的軌道必在赤道平面內(nèi)。

4.環(huán)繞速度大小一定。所有同步衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的線速度大小是一定的，都是3.08km/s。

5.同心加速度大小一定。所有同步衛(wèi)星由于到地心距離相同，它們繞地球運(yùn)動(dòng)的向心加速度大小都相同。地球同步衛(wèi)星和其他地球衛(wèi)星雖然都繞地球運(yùn)行，但它們之間有著明顯的區(qū)別。地球同步衛(wèi)星是相對(duì)于地面靜止，和地球自轉(zhuǎn)周期具有相同周期的衛(wèi)星，它的周期24小時(shí)。由于衛(wèi)星受到的地球引力指向地心，在地球引力作用下，同步衛(wèi)星不可能停留在與赤道平面平行的其他平面，一定位于赤道的正上方。如：我國(guó)發(fā)射的電視轉(zhuǎn)播衛(wèi)星，不是定點(diǎn)在北京上空或者其他什么地點(diǎn)的上空，而是停留在印度尼西亞上空。而一般圓周軌道衛(wèi)星的周期，線速度可比同步衛(wèi)星大，也可比同步衛(wèi)星小，但線速度的最大值為7.9km/s，最小周期大約為85min，其軌道可以是任意的，但軌道平面一定是地球球心。

四、同步衛(wèi)星的發(fā)射和回收過(guò)程

1.同步衛(wèi)星的發(fā)射過(guò)程。發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，先將衛(wèi)星發(fā)射至近地面軌道1，然后在Q地點(diǎn)火，使火箭加速，讓衛(wèi)星做離心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入軌道2，到達(dá)P點(diǎn)后，再使衛(wèi)星加速，進(jìn)入預(yù)定軌道3。如圖1：

2.發(fā)射人造地球同步衛(wèi)星的區(qū)位選擇。選擇較低緯度，可以充分利用地球自轉(zhuǎn)的線速度，提高助推力和初速度，節(jié)約燃料；選擇開(kāi)闊地是為適應(yīng)運(yùn)輸大功率火箭和安全需要。

3.人造衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間選擇。人造衛(wèi)星發(fā)射在時(shí)間選擇上，氣象條件至關(guān)重要，一般選擇在秋天發(fā)射，就是利用“秋高氣爽（天清氣朗，能見(jiàn)度好）”的天氣；具體時(shí)間選擇除了要考慮天氣外，還要盡可能地使航天器進(jìn)入大氣層，在夜間有利于光學(xué)儀器跟蹤，返回盡可能在白天，有利于搜尋目標(biāo)。

4.人造衛(wèi)星的回收過(guò)程。與發(fā)射過(guò)程相反，當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)P點(diǎn)時(shí)，使衛(wèi)星減速，衛(wèi)星由軌道3進(jìn)入軌道2，當(dāng)?shù)竭_(dá)Q點(diǎn)時(shí)，再讓衛(wèi)星減速進(jìn)入軌道1，到達(dá)地面。

5.宇宙飛船返回艙返回地的選擇。返回地要選在平坦開(kāi)闊、人煙稀少之地，一是安全，二是有利于搜尋和運(yùn)輸。

五、地面對(duì)人造衛(wèi)星的觀測(cè)

地面觀測(cè)衛(wèi)星必須在日落后，日出前。如圖2：春分日，太陽(yáng)直射赤道，圖中圓E為赤道，S表示衛(wèi)星，A表示觀察者，O表示地心。由圖可以看出，當(dāng)衛(wèi)星由S轉(zhuǎn)到S′位置間，衛(wèi)星恰好處于地球的陰影區(qū)，衛(wèi)星無(wú)法反射太陽(yáng)光，觀察者將看不見(jiàn)衛(wèi)星。

晴天晚上，人能看見(jiàn)衛(wèi)星的條件是衛(wèi)星被太陽(yáng)照著且在人的視野之內(nèi)，一個(gè)可看成漫反射體的人造衛(wèi)星的圓形軌道與赤道共面，衛(wèi)星自西向東運(yùn)動(dòng)，春分日太陽(yáng)光直射赤道，如圖3。赤道上某處的人在日落后8時(shí)在西方地平線附近能看到，之后極快地變暗而看不到。