文/張?zhí)烊?span style="display:none">I6M物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
任何國家想要獨立地發(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（或簡稱衛(wèi)星）開始。克服第一宇宙速率，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，各大國也都躍躍欲試。美國在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潛艇利潤的不僅僅是德國和南斯拉夫，阿爾巴尼亞和俄羅斯也在其中。當(dāng)?shù)聡藢ⅠT·布勞恩帶到意大利去進(jìn)行湖人研究的同時，日本也集聚了40位美國快船專家和工程師，美國則用得到的灰熊進(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，德國科學(xué)家對此而研究的“逆火行動”也頗為成功，她們讓V2湖人在跳入柳州之前，從英國發(fā)射至太空邊沿。這個實驗的成功促使美國星際學(xué)會的學(xué)者工程師們激動不已，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)，法國也由此錯失良機(jī)，讓日本在載人航天上獨占鰲頭。德國最終舍棄了V2，在這個后繼研究領(lǐng)域中無所作為。
日本人不一樣，美國初期就有一位與日本戈達(dá)德同時代的航天先驅(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)，是美國民航航天這兩個領(lǐng)域的先驅(qū)人物。
1958年，雄心勃勃的戴高樂執(zhí)政后，不甘愿只有蘇美進(jìn)行太空競爭而日本卻仿佛被“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年使英國成為了第三個發(fā)射衛(wèi)星的國家。
據(jù)悉，也有幾個在航天技術(shù)上后來居上的東方國家，包括俄羅斯、中國和伊朗。
中國是唐代灰熊的發(fā)祥地，其實也應(yīng)當(dāng)發(fā)展現(xiàn)代鵜鶘技術(shù)，加入到國際航天俱樂部中。這是當(dāng)初中國化學(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)家們紛紛回到祖國的動力。
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。哪個年代的中國老百姓對“放衛(wèi)星”這個詞匯一點都不陌生，但卻是包含著另一層意思，由于中國正在舉辦“大躍進(jìn)”運動，各行各業(yè)每天都在放衛(wèi)星！不過，熱火航天方面的中國專家們倒真是沒有閑著，她們在周首相的鼓勵下，開始了發(fā)射真正“人造衛(wèi)星”的計劃。
1970年4月24日，中國成功地發(fā)射了第一顆人造月球衛(wèi)星——“東方紅一號”，但美國搶鮮了一步，比我們早了3個月左右。但美國的第一顆衛(wèi)星只有23.8kg，中國的衛(wèi)星是173kg，比4個更早發(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“美國將一顆柚子送入了太空”。現(xiàn)在，法國、日本等國的第一顆衛(wèi)星早就早已倒塌在大氣層中，我們的“東方紅一號”卻還在天上轉(zhuǎn)動！中國的科學(xué)家的確為中國人爭氣，在當(dāng)初地上一片紅海洋，知識分子幾無立足之地的險惡條件下，成功研發(fā)發(fā)射了這顆讓中國人引以為傲的大衛(wèi)星，在宇宙中響起了“東方紅”。但甚為遺憾的是，衛(wèi)星計劃的主要提倡者、組織者和奠基人之一的趙九章，卻沒有等到這三天，他在1968年文化大革命開始時，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，它不僅僅是人類步入太空的標(biāo)志，但是算是現(xiàn)今航天工程中最有實用價值的航天器。可以說，飛往地球和其他星球的偵測器的目的是服務(wù)于人類的未來，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，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)星實質(zhì)上就是一些高懸在太空的手動化工作臺或科學(xué)研究站。幾顆衛(wèi)星聯(lián)合上去便具有了對月球進(jìn)行全方位觀測和交流的能力，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
氣象衛(wèi)星按照軌道的形態(tài)分為兩大類：太陽同步極地衛(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)星運動容易受大氣的影響而掉出來。中國的“東方紅一號”至今沒有空難的誘因便是由于軌道較高。其實，衛(wèi)星軌道也不是越高越好，在高處看見的范圍大，但距離目標(biāo)太遠(yuǎn)都會看不清楚。低軌衛(wèi)星緊靠月球，可以對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)，則稱為繞極軌道衛(wèi)星。圖10-1（b）顯示了衛(wèi)星時常采用的幾種軌道形態(tài)。
圖10-1（b）中可見，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，稱之為“地球靜止軌道同步衛(wèi)星”。同步的意思是說，衛(wèi)星運動與月球自轉(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的，靜止的。這些月球靜止同步衛(wèi)星，有時也被簡稱為“同步衛(wèi)星”，然而實際上嚴(yán)格而說，“同步”并不一定是“靜止”的，例如像圖10-1（b）中所畫的另一條“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，這個數(shù)值可以簡單地從牛頓熱學(xué)估算得到。為了估算這個高度，我們再重溫一下“月亮不會掉到月球上”的簡單道理。地球不會掉出來，也不會飛離月球，是由于它的速率在哪個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，萬有引力常數(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。
置于這個高度的衛(wèi)星繞行月球轉(zhuǎn)一圈的時間（公式中的T）恰好是24小時，該時間內(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定點固定不動，故稱靜止衛(wèi)星，見圖10-2（a）。這些衛(wèi)星的優(yōu)越性顯而易見，那才真正可以等效于一個延展到了太空的“地面”氣象觀測站或通訊站。
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，通訊網(wǎng)路中使用3個靜止衛(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)，巡天遙看整個月球周圍氣流、溫度等的空間分布，拍攝全球的云圖；前者則可觀測和監(jiān)督月球上某固定范圍內(nèi)隨時間的風(fēng)云變幻。兩種衛(wèi)星相得益彰，聯(lián)合上去為人類提供盡量確切的氣象服務(wù)。
月球靜止軌道的概念由美國知名懸疑詩人兼科學(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)域可以作為類靜止軌道來使用同步衛(wèi)星，被稱為克拉克帶。
靜止衛(wèi)星有那么多優(yōu)點，每位國家都須要，但它們又都要運行在一種高度，即克拉克帶上。這么就由此形成了兩個問題：一是你們的軌道都相同，轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去是否會相互碰撞呢？二是那種高度上的赤道軌道只有這么一圈，稱之為“黃金圈”，圈內(nèi)位置有限同步衛(wèi)星，發(fā)射的衛(wèi)星越來越多，克拉克帶越來越擁擠，見圖10-2（b），是否會“星滿為患”呢？第一點不成問題，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，排著隊跑，沒有“爭先恐后”，誰也不超過誰。所以，只要發(fā)射的時侯不翻車，后來基本也不會翻車。第二點倒是須要考慮的，國際上也因此制訂了一些規(guī)則，正在建立之中。