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標題: 軌道解釋：很難進入太空-但是一旦到達太空就很棒 [打印本頁]

作者: 飛行人3 時間: 2020-12-1 05:37 AM 標題: 軌道解釋：很難進入太空-但是一旦到達太空就很棒

讓艾薩克·牛頓（Isaac Newton）成為您繞地球旋轉的指南。

太空比您想像的要近-大約62英里，離您的距離僅比San Jose與San Francisco的距離稍遠。哎呀，你可以乘氣球已經到達半途。事實證明，關於太空最困難的部分不是到達那兒，而是停留在那兒。那就是繞行軌道概念發揮作用的地方。一旦完成了將航天器送入軌道的艱苦工作，您就可以使用它多年，因為它或多或少地在其自身的隱形軌道上不費吹灰之力地繞著地球循環。

德雷克塞爾大學（Drexel University）研究航空航天飛行器的教授阿吉瑪爾·尤瑟夫（Ajmal Yousuff）說，軌道是“太空中的道路”。 “您將車輛放在太空中，然後它停留在那裡。

科學家們在人類發射宇宙飛船之前就已經弄清楚了軌道是如何工作的，但是我們其他人有很多東西可以了解地球上的這些環狀軌道，這也是學習它的充分理由。隨著新的政府和私營部門項目的發展，與1960年代太空時代開始時相比，太空變得比以前更加重要。

除其他努力外，幾家公司正在用互聯網波束衛星填充天堂，新的SpaceX火箭已開始向國際空間站派遣宇航員，美軍成立了新的太空部隊，美國宇航局正在計劃對月球和火星的飛行任務。

軟件公司Hypergiant首席執行官Ben Lamm說：“這是新的太空時代，也就是新的太空競賽。” 他的公司正在與美國空軍合作開發其“變色龍”航天器，該航天器的設計比傳統航天器更適應，更獨立，更智能。

讓我們從艾薩克·牛頓開始

如果您想了解軌道，那麼艾薩克·牛頓就是一個很好的起點。艾薩克·牛頓的研究為運動，光線和重力的解釋鋪平了通往現代科學的道路。牛頓的《世界體系論著》（1685年起）優雅地概括了軌道如何與無需演算的思想實驗一起工作。

這個想法有時被稱為牛頓的砲彈，就像這樣。想像一下從一個高山上水平射擊石頭，逐漸提高射擊速度。

牛頓說：“投射的速度越大，落到地球上的距離就越遠。” 隨著水平速度的增加，“它將描述到達地球之前的1、2、5、10、100、1000英里的弧，直到最後超過地球的極限，它應該完全通過而不接觸它。 ”

換句話說，由於地球的曲率，石頭掉落的速度與地球表面後退的速度完全相同。在牛頓的實驗中，以適當速度射出的石頭會繞地球旋轉，然後向後擊打回到山中。

在現實世界中，與地球大氣層的摩擦會大大降低彈丸的速度，使其無法繞地球旋轉並返回山中。但是進入空氣稀少的太空只有幾英里，該彈丸幾乎不會阻止它繼續在軌道上飛行。

快速橫向移動，而不是向上

這給我們帶來了將衛星送入軌道的主要困難：獲得足夠的水平速度。

無論您是看著巨大的土星V火箭載人到月球，還是細長的燭台發射較小的航天器，您看到的火箭都會產生巨大的推力。但是，絕大多數的火箭燃料都會推動航天器橫向而不是向上推進。當您觀察火箭發射時，幾乎在飛船離開發射台後立即開始向水平方向傾斜。

這些飛船要走多快？俄羅斯於1957年發射的第一顆人造衛星Sputnik-1，以每小時約18,000英里的速度繞地球表面運行，或每秒約8公里的軌道運行。國際空間站以7.7 kmps（約17,000 mph）的速度呼嘯而過。

相比之下，超音速協和式客機僅以約1,500英里/小時的速度飛馳。

SpaceX將NASA宇航員運送到ISS所需的動力要比Blue Origin（由亞馬遜首席執行官Jeff Bezos資助的火箭創業公司）在不進入軌道的情況下上下彈出New Shepard火箭要大得多。

航天器的軌道越低，飛行速度就越快。這就是為什麼大約340英里（547公里）高的哈勃太空望遠鏡每95分鐘繞地球一周，而用於導航服務的全球定位系統衛星則在12550英里（20,200公里）高，每個軌道要花費12個小時。

從地球獲得發射升空

地球的自轉使火箭有向東的健康彈射，而離赤道越近的發射，彈射就越大。

這部分是為什麼美國的發射場位於該國南部，為什麼歐洲的航天器有時是從南美洲的圭亞那航天中心發射的，而南美洲的圭亞那航天中心距離赤道僅5度。美國宇航局考慮從赤道地點發射月球任務，儘管逃避因素是與月球軌道相匹配的燃料考慮的次要因素。

當SpaceX發射火箭時，它在完成將航天器送入軌道的工作後，會保留一些燃料以將火箭的第一級返回地球。對於從佛羅里達州卡納維拉爾角（Cape Canaveral）進行的發射，火箭級降落在一艘無人駕駛船上，漂浮在向東數百英里的大西洋上。

低地球軌道：加入聚會太空開始於我們上方約62英里（100公里），儘管邊界有些隨意。比這高一點的地方是最流行的空間部分，稱為低地球軌道（LEO），最高可達地球表面約1,243英里（2,000公里）。

在這裡，您可以找到國際空間站以及用於天氣預報，間諜，電視，成像以及越來越多的基於衛星的寬帶的衛星。除了少數在NASA的阿波羅飛行任務中登上月球的人以外，所有進入太空的人都在LEO中擁抱了地球。SpaceX Starlink服務目前處於beta測試中，其星座中的衛星將近1,000顆，目前已超過2,200顆。亞馬遜的Kuiper項目計劃製造3,200顆衛星。 OneWeb預計將有多達48,000顆衛星，儘管其近期計劃今年已陷入破產問題。位於加拿大，俄羅斯和中國的公司計劃更多。HawkEye 360首席執行官約翰·塞拉菲尼（John Serafini）說，進入LEO比以往任何時候都容易，這引發了“ LEO創新的黃金時代”，他的公司幫助政府和軍事客戶跟蹤無線電信號，以發現走私者或失落的船隻等物體。

“十年前，HawkEye 360幾乎不可能建造一個衛星群，”但是SpaceX的可重複使用火箭和其他改進措施降低了發射成本。他說：“比以往任何時候都有更多的機會搭乘飛機進入軌道。”由於LEO相對容易接近，因此它也是地球大部分太空垃圾繞行的地方。大氣上部邊緣的摩擦將碎屑的一部分拖走。衛星也必須考慮到大氣摩擦，經常用溫和但方便的太陽能離子推進器來推動自己保持正確的軌道。

走向地球同步軌道與LEO相比，中地球軌道最高達22,233英里（35,780公里）。但是這個區域有一些值得注意的居民，尤其是導航衛星星座。衛星導航衛星星座很大，每個星座都有大約24顆衛星，分別是美國的GPS，歐洲的伽利略，俄羅斯的格洛納斯和中國的北斗。 GPS可用於智能手機導航，但軍事用途也是發射和維護這些衛星的費用的最高理由。

在地球同步軌道的上邊界上方是地球同步軌道，這是軌道周期與地球自轉相匹配的最佳位置。從地球上看，位於赤道上方地球同步軌道上的衛星稱為地球靜止軌道，出現在與天空完全相同的位置。這對於通信特別有用，因為您可以將固定的地面站天線直接對準衛星。但是，無線電傳輸的延遲和信號強度要比低軌道的航天器差。並非地球同步中的所有停車位都是一樣的。德雷克塞爾的優素福說，地球密度的變化使某些衛星偏離了它們的位置，偶爾需要推進以使其保持一致。

圓和橢圓儘管許多軌道是圓形的，但有些軌道會拉長成更橢圓的形狀，這會使衛星離地球更遠時的速度變慢。橢圓也方便改變軌道。 NASA的阿波羅飛行任務首先是將飛船發射到地球軌道上，然後新的火箭燃燒將它們發射到了一個向月球延伸的橢圓形軌道，從而使宇航員在大部分途中都沿海岸航行。另一枚火箭彈將飛船插入月球軌道。

優素福最喜歡的軌道類型之一是橢圓形。俄羅斯大部分地區位於赤道以北，這限制了對地靜止衛星的使用。因此，俄羅斯人提出了另一種方案，稱為Molniya軌道。在莫利尼亞（Molniya）軌道上，一枚衛星在其最接近的近地點（近地點）上掠過澳大利亞，然後自然而然地變慢，直到其到達莫斯科（最高點）以上的最高點。這樣一來，它就可以有效地利用其大部分軌道運行時間。最初的Sirius衛星廣播系統也使用Molniya軌道，儘管在收購XM衛星廣播成為Sirius XM Radio之後，它採用了XM的對地靜止軌道方法。也有許多其他類型的軌道，例如跨越地球兩極的極地軌道。達到地球逃逸速度的航天器可以繞太陽公轉。例如，SpaceX的“星人”（Starman）軌道只是在馬龍附近進行了埃隆·馬斯克（Elon Musk）的宣傳特技。如果今天在低地球軌道上的商業活動不斷降低火箭的發射成本，那麼也許實際的人就會跟隨他。

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