人造衛星與相關地理知識解析

地球對周圍物體有引力作用，當物體被拋出后它會落回地面，當物體獲得足夠的速度時，它將圍繞地球旋轉，成為一顆繞地球運行的人造衛星。人造衛星主要有偵查衛星、科學研究衛星、通信衛星、導航衛星、地球資源勘探衛星、科學研究衛星、預警衛星和測地衛星等。

衛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物理量中，當一個量發生變化時，另外三個量一定同時變化。衛星的軌道定軌后，其線速度、角速度、周期也一定確定。

一、人造地球衛星的軌道

1.“赤道軌道”。軌道在赤道平面內，與赤道平行。

2.“極地軌道”。軌道平面與赤道平面垂直，通過地球兩極上空。

3.其他軌道。軌道既不在赤道平面內，又不與赤道平面垂直。

二、發射衛星的宇宙速度

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

2.第二宇宙速度（脫離速度）。在地面上（r=R）發射物體使之能脫離地球的引力作用，成為繞太陽運行的人造衛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）。在地面上發射物體，使之能最后脫離太陽的引力范圍，飛到太陽系以外的宇宙空間所必須的最小速度，ν=16.7km/s。

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

三、同步衛星的特點

地球同步衛星就是與地球同步運轉，相對地球靜止的衛星，它的運動周期和地球的自轉周期相同，且它的軌道必然要和赤道平面處在同一個平面內。它的特點如下：

1.周期一定。同步衛星在赤道上空相對地球靜止，繞地球的運動與地球自轉同步，運動周期等于地球自轉的周期。

2.角速度一定。同步衛星繞地球運動的角速度等于地球自轉的角速度。

3.軌道一定。同步衛星繞地球的運動與地球的自轉同步，這就決定了同步衛星的軌道平面與赤道平面平行。又由于同步衛星繞地球運動的向心力是地球對衛星的萬有引力，決定了同步衛星的圓周運動的圓心為地心。所以，所有同步衛星的軌道必在赤道平面內。

4.環繞速度大小一定。所有同步衛星繞地球運動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。所有同步衛星由于到地心距離相同，它們繞地球運動的向心加速度大小都相同。地球同步衛星和其他地球衛星雖然都繞地球運行，但它們之間有著明顯的區別。地球同步衛星是相對于地面靜止，和地球自轉周期具有相同周期的衛星，它的周期24小時。由于衛星受到的地球引力指向地心，在地球引力作用下，同步衛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：我國發射的電視轉播衛星，不是定點在北京上空或者其他什么地點的上空，而是停留在印度尼西亞上空。而一般圓周軌道衛星的周期，線速度可比同步衛星大，也可比同步衛星小，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、同步衛星的發射和回收過程

1.同步衛星的發射過程。發射地球同步衛星時，先將衛星發射至近地面軌道1，然后在Q地點火，使火箭加速，讓衛星做離心運動，進入軌道2，到達P點后，再使衛星加速，進入預定軌道3。如圖1：

2.發射人造地球同步衛星的區位選擇。選擇較低緯度，可以充分利用地球自轉的線速度，提高助推力和初速度，節約燃料；選擇開闊地是為適應運輸大功率火箭和安全需要。

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

4.人造衛星的回收過程。與發射過程相反，當衛星到達P點時，使衛星減速，衛星由軌道3進入軌道2，當到達Q點時，再讓衛星減速進入軌道1，到達地面。

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

五、地面對人造衛星的觀測

地面觀測衛星必須在日落后，日出前。如圖2：春分日，太陽直射赤道，圖中圓E為赤道，S表示衛星，A表示觀察者，O表示地心。由圖可以看出，當衛星由S轉到S′位置間，衛星恰好處于地球的陰影區，衛星無法反射太陽光，觀察者將看不見衛星。

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