文/張?zhí)烊?span style="display:none">I6M物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
任何國(guó)家想要獨(dú)立地發(fā)展自己的航天事業(yè)，都須要從發(fā)射第一顆人造月球衛(wèi)星（或簡(jiǎn)稱(chēng)衛(wèi)星）開(kāi)始?？朔谝挥钪嫠俾?，是邁向太空的第一步。
南斯拉夫和意大利先后發(fā)射的人造衛(wèi)星讓全世界為之激奮，各大國(guó)也都躍躍欲試。美國(guó)在20世紀(jì)60年代首先打破了蘇美的太空壟斷，將自己的第一顆衛(wèi)星推上了太空。
“二戰(zhàn)”后從日本V2潛艇利潤(rùn)的不僅僅是德國(guó)和南斯拉夫，阿爾巴尼亞和俄羅斯也在其中。當(dāng)?shù)聡?guó)人將馮·布勞恩帶到意大利去進(jìn)行湖人研究的同時(shí)，日本也集聚了40位美國(guó)快船專(zhuān)家和工程師，美國(guó)則用得到的灰熊進(jìn)行組裝施行了多次試航。
日本在“二戰(zhàn)”中受V2潛艇之害最深，德國(guó)科學(xué)家對(duì)此而研究的“逆火行動(dòng)”也頗為成功，她們讓V2湖人在跳入柳州之前，從英國(guó)發(fā)射至太空邊沿。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功促使美國(guó)星際學(xué)會(huì)的學(xué)者工程師們激動(dòng)不已，深感V2潛艇的技術(shù)超前，早已完全可能將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴饺胩盏摹拜d人灰熊”。1946年，學(xué)會(huì)成員史密斯因此遞交了一份詳細(xì)可行的方案，但卻未得到政府的批準(zhǔn)，法國(guó)也由此錯(cuò)失良機(jī)，讓日本在載人航天上獨(dú)占鰲頭。德國(guó)最終舍棄了V2，在這個(gè)后繼研究領(lǐng)域中無(wú)所作為。
日本人不一樣，美國(guó)初期就有一位與日本戈達(dá)德同時(shí)代的航天先驅(qū)埃斯諾·佩爾特里（，1881—1957）。他既研究民航，又研究航天，作出不少奠基性的貢獻(xiàn)，是美國(guó)民航航天這兩個(gè)領(lǐng)域的先驅(qū)人物。
1958年，雄心勃勃的戴高樂(lè)執(zhí)政后，不甘愿只有蘇美進(jìn)行太空競(jìng)爭(zhēng)而日本卻仿佛被“拒之于外”的世界局面。他大力推進(jìn)尼克斯及航天的研究，其成果便是1965年使英國(guó)成為了第三個(gè)發(fā)射衛(wèi)星的國(guó)家。
據(jù)悉，也有幾個(gè)在航天技術(shù)上后來(lái)居上的東方國(guó)家，包括俄羅斯、中國(guó)和伊朗。
中國(guó)是唐代灰熊的發(fā)祥地，其實(shí)也應(yīng)當(dāng)發(fā)展現(xiàn)代鵜鶘技術(shù)，加入到國(guó)際航天俱樂(lè)部中。這是當(dāng)初中國(guó)化學(xué)學(xué)家及相關(guān)工程人員的美好心愿，也是促成像錢(qián)學(xué)森、趙九章那些受西方教育的科學(xué)家們紛紛回到祖國(guó)的動(dòng)力。
1957年和1958年，南斯拉夫和意大利分別發(fā)射了第一顆衛(wèi)星。哪個(gè)年代的中國(guó)老百姓對(duì)“放衛(wèi)星”這個(gè)詞匯一點(diǎn)都不陌生，但卻是包含著另一層意思，由于中國(guó)正在舉辦“大躍進(jìn)”運(yùn)動(dòng)，各行各業(yè)每天都在放衛(wèi)星！不過(guò)，熱火航天方面的中國(guó)專(zhuān)家們倒真是沒(méi)有閑著，她們?cè)谥苁紫嗟墓膭?lì)下，開(kāi)始了發(fā)射真正“人造衛(wèi)星”的計(jì)劃。
1970年4月24日，中國(guó)成功地發(fā)射了第一顆人造月球衛(wèi)星——“東方紅一號(hào)”，但美國(guó)搶鮮了一步，比我們?cè)缌?個(gè)月左右。但美國(guó)的第一顆衛(wèi)星只有23.8kg，中國(guó)的衛(wèi)星是173kg，比4個(gè)更早發(fā)射的“第一顆”加上去的總質(zhì)量還要多。俄羅斯當(dāng)初的第一顆衛(wèi)星只有8.2kg，被譏笑為“美國(guó)將一顆柚子送入了太空”。現(xiàn)在，法國(guó)、日本等國(guó)的第一顆衛(wèi)星早就早已倒塌在大氣層中，我們的“東方紅一號(hào)”卻還在天上轉(zhuǎn)動(dòng)！中國(guó)的科學(xué)家的確為中國(guó)人爭(zhēng)氣，在當(dāng)初地上一片紅海洋，知識(shí)分子幾無(wú)立足之地的險(xiǎn)惡條件下，成功研發(fā)發(fā)射了這顆讓中國(guó)人引以為傲的大衛(wèi)星，在宇宙中響起了“東方紅”。但甚為遺憾的是，衛(wèi)星計(jì)劃的主要提倡者、組織者和奠基人之一的趙九章，卻沒(méi)有等到這三天，他在1968年文化大革命開(kāi)始時(shí)，便因不甘忍受欺壓而自殘喪生了。其他的好多參與者，都是在“牛棚”里看到太空傳回月球，再經(jīng)中央電視臺(tái)轉(zhuǎn)播的“東方紅”的。
可不要小看了人造衛(wèi)星，它不僅僅是人類(lèi)步入太空的標(biāo)志，但是算是現(xiàn)今航天工程中最有實(shí)用價(jià)值的航天器。可以說(shuō)，飛往地球和其他星球的偵測(cè)器的目的是服務(wù)于人類(lèi)的未來(lái)，而衛(wèi)星則是服務(wù)于現(xiàn)今文明世界。它們已然成為許多現(xiàn)代技術(shù)必不可少的部份。衛(wèi)星在軍事和經(jīng)濟(jì)上具有重要價(jià)值，因而發(fā)展最快，數(shù)目也很大。其樣貌千姿百態(tài)，用途五花八門(mén)，據(jù)2013年的資料，全球共發(fā)射了6600顆人造月球衛(wèi)星，其中包括中國(guó)發(fā)射的200多顆，是航天器中最興盛發(fā)達(dá)的家族。
與我們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)系最為密切的衛(wèi)星是通訊衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導(dǎo)航定位衛(wèi)星和科學(xué)衛(wèi)星等。人人都明白登高能夠望遠(yuǎn)，衛(wèi)星實(shí)質(zhì)上就是一些高懸在太空的手動(dòng)化工作臺(tái)或科學(xué)研究站。幾顆衛(wèi)星聯(lián)合上去便具有了對(duì)月球進(jìn)行全方位觀測(cè)和交流的能力，這是其他地面手段未能比擬的。如圖10-1（a）所示，在一定的高度上，使用3顆通訊衛(wèi)星，通訊范圍便可以覆蓋全球。
圖10-1人造衛(wèi)星
（a）三顆通訊衛(wèi)星覆蓋全球；（b）衛(wèi)星按軌道形態(tài)的分類(lèi)
氣象衛(wèi)星按照軌道的形態(tài)分為兩大類(lèi)：太陽(yáng)同步極地衛(wèi)星和月球同步衛(wèi)星。
首先，衛(wèi)星的軌道可以有高度上的差別，由此可將衛(wèi)星分為低軌（以下）、中軌（介于2000～35786km之間）和高軌（等于或低于35786km）。低軌衛(wèi)星不能太低，至少要幾百千米，大大低于大氣層，否則衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)容易受大氣的影響而掉出來(lái)。中國(guó)的“東方紅一號(hào)”至今沒(méi)有空難的誘因便是由于軌道較高。其實(shí)，衛(wèi)星軌道也不是越高越好，在高處看見(jiàn)的范圍大，但距離目標(biāo)太遠(yuǎn)都會(huì)看不清楚。低軌衛(wèi)星緊靠月球，可以對(duì)月球表面看得更仔細(xì)，所以資源衛(wèi)星與軍事間諜衛(wèi)星大都是采取低軌道飛行。有些氣象衛(wèi)星為了拍攝到更詳盡的資料，也采用低軌。
衛(wèi)星軌道的另一個(gè)參數(shù)是軌道平面與赤道面的夾角。軌道面與赤道面一致的叫作赤道軌道，假若衛(wèi)星不是繞著赤道轉(zhuǎn)，而是繞著南北極轉(zhuǎn)，則稱(chēng)為繞極軌道衛(wèi)星。圖10-1（b）顯示了衛(wèi)星時(shí)常采用的幾種軌道形態(tài)。
圖10-1（b）中可見(jiàn)，赤道軌道衛(wèi)星可以有不同的高度，其中有一種非常的衛(wèi)星，稱(chēng)之為“地球靜止軌道同步衛(wèi)星”。同步的意思是說(shuō)，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)與月球自轉(zhuǎn)同步，即衛(wèi)星繞地的周期與月球自轉(zhuǎn)的周期一樣。這些“同步”的結(jié)果，就促使衛(wèi)星在天上的位置看上去是固定不動(dòng)的，靜止的。這些月球靜止同步衛(wèi)星，有時(shí)也被簡(jiǎn)稱(chēng)為“同步衛(wèi)星”，然而實(shí)際上嚴(yán)格而說(shuō)，“同步”并不一定是“靜止”的，例如像圖10-1（b）中所畫(huà)的另一條“傾斜同步軌道”就不是靜止軌道，通常所指的同步軌道，是說(shuō)不傾斜的赤道面上的靜止同步軌道。
所有靜止同步軌道衛(wèi)星距離赤道的高度h都相同，等于35786km，這個(gè)數(shù)值可以簡(jiǎn)單地從牛頓熱學(xué)估算得到。為了估算這個(gè)高度，我們?cè)僦販匾幌隆霸铝敛粫?huì)掉到月球上”的簡(jiǎn)單道理。地球不會(huì)掉出來(lái)，也不會(huì)飛離月球，是由于它的速率在哪個(gè)位置形成的離心力剛好平衡了月球引力。人造衛(wèi)星的道理也是一樣，靜止衛(wèi)星的速率要使其同步于月球自轉(zhuǎn)，只有將它們置于某一個(gè)高度h，離心力能夠正好平衡引力。
設(shè)衛(wèi)星質(zhì)量為m，月球質(zhì)量為M，直徑為R，自轉(zhuǎn)周期為T(mén)，萬(wàn)有引力常數(shù)為G，借助下述“牛頓引力等于離心力”的等式：
代入已知數(shù)據(jù)，則可得高度h等于35786km。
置于這個(gè)高度的衛(wèi)星繞行月球轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間（公式中的T）恰好是24小時(shí)，該時(shí)間內(nèi)月球也剛好轉(zhuǎn)一圈。所以，從地面上看上去，衛(wèi)星顯然是掛在天空某個(gè)定點(diǎn)固定不動(dòng)，故稱(chēng)靜止衛(wèi)星，見(jiàn)圖10-2（a）。這些衛(wèi)星的優(yōu)越性顯而易見(jiàn)，那才真正可以等效于一個(gè)延展到了太空的“地面”氣象觀測(cè)站或通訊站。
圖10-2靜止衛(wèi)星示意圖
（a）衛(wèi)星在天上的位置“固定”；（b）擁擠的克拉克帶
后面介紹過(guò)，通訊網(wǎng)路中使用3個(gè)靜止衛(wèi)星便能覆蓋全球。氣象衛(wèi)星通常有兩種：繞極衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星，后者可以飛經(jīng)月球的每位地區(qū)，巡天遙看整個(gè)月球周?chē)鷼饬?、溫度等的空間分布，拍攝全球的云圖；前者則可觀測(cè)和監(jiān)督月球上某固定范圍內(nèi)隨時(shí)間的風(fēng)云變幻。兩種衛(wèi)星相得益彰，聯(lián)合上去為人類(lèi)提供盡量確切的氣象服務(wù)。
月球靜止軌道的概念由美國(guó)知名懸疑詩(shī)人兼科學(xué)家亞瑟·克拉克于1945年提出，為了記念他，海平面以上大概36000km的地方有一片區(qū)域可以作為類(lèi)靜止軌道來(lái)使用同步衛(wèi)星，被稱(chēng)為克拉克帶。
靜止衛(wèi)星有那么多優(yōu)點(diǎn)，每位國(guó)家都須要，但它們又都要運(yùn)行在一種高度，即克拉克帶上。這么就由此形成了兩個(gè)問(wèn)題：一是你們的軌道都相同，轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去是否會(huì)相互碰撞呢？二是那種高度上的赤道軌道只有這么一圈，稱(chēng)之為“黃金圈”，圈內(nèi)位置有限同步衛(wèi)星，發(fā)射的衛(wèi)星越來(lái)越多，克拉克帶越來(lái)越擁擠，見(jiàn)圖10-2（b），是否會(huì)“星滿為患”呢？第一點(diǎn)不成問(wèn)題，由于即使所有的靜止衛(wèi)星都共用一條“跑道”，但你們的速率都一樣，前前后后，排著隊(duì)跑，沒(méi)有“爭(zhēng)先恐后”，誰(shuí)也不超過(guò)誰(shuí)。所以，只要發(fā)射的時(shí)侯不翻車(chē)，后來(lái)基本也不會(huì)翻車(chē)。第二點(diǎn)倒是須要考慮的，國(guó)際上也因此制訂了一些規(guī)則，正在建立之中。