二、人造地球卫星

在宇宙中，围绕恒星运行的天体叫行星，围绕行星运行的天体叫卫星。人造地球卫星在太空飞行，不像飞机那样任意改变方向，它总是在一个

轨道上绕地球旋转，而且不需要任何动力。那么，人造地球卫星为什么能在轨道上绕地球飞行呢？它是怎样飞行的呢？让我们来看一下杂技演员的水流星表演。杂技演员用力甩动着绳头上盛着水的碗，水碗总想飞走，而绳子拉着它，它又飞不走，所以水碗就以演员握绳的手为中心，以演员的手到碗的绳子长度为半径做圆周运动。这时物体做圆周运动会产生离心加速度（离心惯性），就好像有一股力量将物体向外推，它的大小与向心力相等，方向与向心力相反。正是这股力量将水压向碗底，所以水不会流出来。人造卫星绕地球飞行的原理与水流星是相同的，当火箭给人造卫星的离心加速度（惯性）所形成的力量与地球的引力相等时，它就会绕地球飞行。

那么，人造地球卫星入轨后，为什么不再需要动力就可以绕地球飞行，

而不像水流星表演那样，需要演员不时地用力甩动水碗呢？

我们大家都知道，物体都有惯性。科学家很早就发现，如果没有外力作用，静止的物体永远静止，运动的物体永远运动，在科学上叫惯性。人造地球卫星绕地球飞行，就是这种惯性运动，水流星与卫星不同，它除了受到大小相等、方向相反的离心惯性和向心力（绳子的拉力）作用外，它还受到地球对它的引力；同时，它在运动时，还要受到空气的阻力。演员要不时地用力甩动，就是为了克服空气阻力和地球对它的引力，要是没有空气阻力和地球对它的引力，演员第一次甩动水碗后，只要拉着绳子，它就可以永远作圆周运动。

杂技演员如果用力过猛，把绳子甩断了，也就是水碗的离心加速度（惯性）大于绳子的拉力（向心力），水碗就会沿直线飞出去，卫星也一样，如果火箭给它的速度过大，它的离心惯性大于地球引力，它就会离开地球飞走，只是它仍然受到太阳的引力作用，不是直线飞走，而是以抛物线或双曲线轨迹飞行。

杂技演员结束表演时，只要用力拉绳子，就可以把水碗收回来，卫星也一样，如果火箭给的速度不够，它的离心惯性小于地球对它的引力，它就会掉下来。离地几百公里的低轨道卫星，那里仍然有稀薄的大气，由于空气阻力使它的速度逐渐降低，地球对它的引力也就渐渐的大于离心惯性，所以它也会慢慢地落回地面，只是在进入稠密大气层后，与空气剧烈摩擦而被烧毁了。为使低轨道卫星不因速度逐渐降低而很快地掉下来，可以为它配备火箭动力，就像杂技演员不时甩动水碗一样，在需要时，开动火箭，提高速度，轨道高度也就升高了。

人造地球卫星的轨道非常繁杂。按形状分圆轨道和椭圆轨道，按离地面的距离，分高轨道和低轨道、极地轨道、地球同步轨道、对地静止轨道和太阳同步轨道等等。

卫星轨道形成的平面叫轨道平面，它总是通过地心的，轨道平面与地球赤道形成的平面（赤道平面）的夹角叫轨道倾角，倾角小于 90 度的为顺行轨

道；大于 90 度为逆行轨道；等于 90 度为极地轨道；倾角为 0，即轨道平面与赤道平面重合，为赤道平面。

卫星绕地球一圈的时间叫运行周期。轨道高为 35786 公里时，卫星的运行周期和地球的自转周期相同，这种卫星轨道叫地球同步轨道。如果地球同步轨道的倾角为零，则卫星正好在赤道上空，以与地球自转相同的角速度绕地球飞行，从地面上看去，好像是静止的，这种卫星轨道叫对地静止轨道，它是地球同步轨道的特例。对地静止轨道只有一条。虽然卫星的轨道是不变的，但由于地球在自转，所以卫星轨道乎面总是绕地球自转轴在旋转，所以卫星轨道平面总是绕地球自转轴在旋转。

卫星轨道的选择，是根据卫星的任务和应用要求来确定的。如对地面摄影的地面资源卫星、照相侦察卫星等常常采用近似圆形的低轨道；通信卫星常常采用对地静止和地球同步轨道；为了节省发射卫星的能量，常采用顺行轨道；为了使卫星对全球进行观察，需要采用极地轨道；为使卫星始终在同一时刻飞过地球某地上空，或使卫星永远在或不在地球阴影区，则需要采用太阳同步轨道等等。

由于运载火箭不可能毫无偏差地把卫星送入预定轨道，同时地球的梨形形状引起的重力变化，以及大气阻力和其它天体引力的干扰等，卫星会逐渐

脱离预定轨道（摄动），而它的预定寿命需要它始终在预定的轨道上工作。因此，需要对人造卫星的实际轨道进行测量，以便进行必要的修正。在卫星的整个工作过程中，测控中心和各测控台还有许多繁重的工作要做，第一是不断地精化它的轨道参数；第二是对星上仪器设备的工作状态进行测量、分析和处理；第三是接收卫星发回的科学测控数据；第四是对卫星的轨道摄动实施修正和管理；第五，对返回式卫星来说，在短暂的返回过程中要完成大量的测控工作。

那么，我们是怎样知道卫星在空间的位置呢？

根据几何原理，要确定空中一点的位置，只要知道它与测量点的连线与地乎线的夹角（仰角）和方位，以及水平距离，就可计算出来。

卫星地面测控站担负着卫星的跟踪测轨任务，只要知道卫星与地面测控站的距离、仰角和方位，那就是卫星在空间的位置。由于卫星在飞行，它在同时的位置是不同的，把各个时刻的位置连起来，就是卫星的轨道。实际上，卫星的轨道测量，就是测量它与测控站之间的仰角、距离和相对速度，把测量值和准确的测量时刻记录下来，就可定出卫星的轨道。但关键是如何跟踪它，即要随时都能抓得住它。所以卫星的轨道测量，又叫做跟踪测轨。

常用的跟踪方法有光学跟踪和无线跟踪两种。由于光学跟踪要受气候条件的限制，一般只在卫星发射时，在低空跟踪火箭和卫星的飞行。因此，无线电跟踪是目前卫星跟踪测轨的主要方法。

常用的无线电跟踪方法有雷达搜索和多普勒跟踪两种。

雷达搜索和跟踪卫星，与搜索和跟踪飞机的原理相同，只是卫星的高度、速度和距离大得多。卫星将雷达发射的无线电脉冲信号反射回来后，已经非常微弱，可能完全收不到。为解决问题，在卫星上安装一个应客机，它收到地面测控雷达发来的无线电脉冲后，经过放大，再发回地面测控站。测控站根据雷达发出信号的时刻和收到卫星发回信号的时刻，就可算出测控站与卫星之间的距离，再根据雷达天线的仰角和方位，就可算出卫星在空间的位置。

多普勒跟踪的原理是多普勒效应，我们站在铁路旁，当一列火车鸣笛而来时，它的汽笛声听起来越尖锐刺耳，这是因为它的声波频率越来越高，即波长越来越短，而它通过身旁远去后，汽笛声逐渐变得低沉，因为它的声波频率越来越低沉，即波长越来越长，其实，火车汽笛发出的声音，它的频率和波长是不变的，正是火车的运动，即发声体的运动影响声波的波长，因而也影响到声波的频率，这就是多普勒效应。多普勒效应的叙述是：由观察者和波源的相对运动，使波在到达观察者时的频率和波离开波源时的频率发生差别。

运动物体的无线电波也有多普勒效应。在卫星上发射无线电波的信标机，它不断地向地面发射频率不变的无线的电波，由于多普勒效应，当它向地面站上来和离地面站远去时，无线电频率都要发生变化，测量这些变化，就可以算出卫星在空间的位置。

信标机的无线电波是通过天线发出的，各个方向的无线电波能量相同，叫全向天线；向一个特定方向发射无线电叫定向天线。

卫星还要向地面发送其它用途的无线电波，也要接收地面上各种无线电波，为了提高利用率和减少卫星上的设备，目前已可以使用共同的天线。

除了用地面站对人造卫星进行跟踪测轨外，还可以用轨道上的跟踪和数据中继卫星进行跟踪测轨，等距离分布在地球静止轨道上的三颗跟踪和数据

中继卫星，可对 12000 公里轨道高度内所有的卫星进行适时连续的跟踪和数据传送。

以上讲了许多关于人造卫星发射和跟踪测轨的问题，同学们，你们觉得有趣吗？好了，下面再讲讲人造地球卫星是怎样回收的。

绕地球飞行的航天器返回地面，根据它们所受到的阻力和升力的大小不同，有三种不同的返回轨道。在进入在大气层后，只有阻力，没有升力的航天器，为弹道式返回轨道，气动力过载大，落点无法调整，可能产生较大的落点偏差。早期苏联的“东方”号飞船，美国的“水星”飞船和我国返式回式卫星，采用这种返回轨道。后来，苏联的“联盟”号和美国的“双子星座” 飞船，采用半弹道式返回轨道，它们在再入大气层后，除了产生阻力外，还有部分升力。这样，只要适当控制它们的滚动作用，就可以控制升力方向，改变飞行路径，调整落点距离，使落点比较准确，它们的气动力过载也较小，一般 4—5 克，航天飞机有很大的升力，因此，在返回时可以调节纵向和横向

距离，准确地降落在路道上，它们的气动力过载很小，只有 2 克左右，这叫升力式或滑翔式返回轨道。

现在，重点讲讲按弹道式返回轨道返回地面，让人造地球卫星按弹道或返回轨道返回地面需要很高的技术。首先，要求运载火箭有很高的精确控制，能准确地把卫星送到预定的轨道，使卫星在飞行的最后一圈，正好经过预定的回收地区上空；其次，由于回收型卫星一般是低轨道卫星，受大气阻力和地球形状等影响，轨道会发生偏离。因此，对实际轨道还要检查它，是否符合轨道条件，如果符合，还必须精确地计算出落地时间和落点的经纬度，迅速的出返回控制方案，包括向卫星基地发送各种控制指令的时间和条件等等；第三，在进入返回圈后，要求卫星和地面相互配合，能使卫星准确地转变成返回姿势，这是卫星能否返回的关键；最后，要求执行反推火箭点火，抛掉仪器舱等一系列遥控指令的众多仪器设备能准确无误的工作，失之毫厘，差之千里，倘若一着失误，全盘皆输。

卫星在返回过程中，还必须闯过三关。第一是振动和过载关。由于卫星以近 8 公里/秒的速度进入稠密的大气层，强大的气动阻力会使卫星受到巨大的冲击，从而产生巨大的过载，就像高速行驶的汽车撞在墙壁上一样。还有，反推火箭的点火和熄火，会产生剧烈的振动。卫星的结构和各种仪器设备必须能挺得住。第二关，是火焰关，卫星以 20 多倍于声音的速度在大气中穿行，它周围的空气受到剧烈的压缩和摩擦，温度高达 8000～10000℃，卫星表面必须有有效的防热层，结构材料也必须有很好的耐热能，否则会被烧为灰烬。第三关，是落地防撞关。卫星接近地面时，仍有几百米每秒的速度，降落伞和减震设备等必须保证卫星能安全回收，而不至于被撞得粉身碎骨，信号装置能使回收人员容易发现卫星的落点遗迹。

卫星的回收的程序，一般有 11 点：

①是精确测算卫星的轨道，确定开始回收程序的时间。

②调整成返回姿态，即再定向。

③回收舱分离

④旋转火箭点火，自旋稳定

⑤反推火箭点火

⑥消旋

⑦再入在气层

⑧反推自旋火箭分离

⑨弹射降落伞罩盘

⑩打开降落伞和抛掉防热罩

（11）回收

由以上可知，卫星的回收设备主要有反推火箭、自旋火箭、防热结构、降落伞、和示踪设备。

回收的场合和方式有三种。一是陆地回收降落伞使卫星以几米每秒的速度落地；二是空中回收；三是海上回收，卫星降落在海面上，借助密封装置漂浮，并施放海水染色剂，舰船或飞机随即将卫星收回。

讲到这里，同学们你们应该对人造地球卫星有一个大致的了解了吧！下面我将给你们介绍介绍多彩多姿的卫星世界，以及即将要发射的卫星。