既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

我們都知道假如飛機要環球航行的話,需要不斷加油,因為沒有飛機的燃油可以支援環繞地球一圈!也知道人造衛星進入軌道後就不再需要加油,比如東方紅一號,飛了半個世紀還在軌道上笑傲江湖!

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

但我們經常聽到國際空間站要加註燃料,經常進行軌道抬升,而很多通訊衛星也需要燃料維持軌道,這又是為什麼呢?

衛星進入近地軌道的速度

飛機時憑藉空氣動力,讓機翼產生的升力拖住機身才得以讓飛機不會掉到地面上,隨之而來的代價是空氣的阻力和對抗阻力產生的燃油消耗,因此飛機上到處都是油箱,比如客機和戰鬥最大的油箱就在機翼中!

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

飛機上的油箱

衛星飛行的原理和飛機有些不一樣,它利用的高速環繞地球軌道的“離心力”和引力對抗,兩者相等的時候就能讓衛星一直保持在軌道上,當然這個軌道一定要遠離大氣層,避免空氣阻力讓它逐漸減速最後墜入地球。

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

這個衛星飛行的原理,牛頓在1687年發表《自然科學的哲學原理》隨著萬有引力定律一起發表了,當時牛頓也就是做個思想實驗,因為地球就是一個大球體麼,只要在它表面高速跑動就是圓周運動了,足夠快就能產生足夠的“離心力”對抗引力。

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

根據萬有引力和環繞運動的“離心力”公式,代入相關資料,可以計算出地球表面的環繞速度大約是7。9千米/秒,當然地表大氣稠密,需要到300千米以上,到那個高度時,這個速度就會減小為7。8千米/秒左右!

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

第二宇宙速度和第三宇宙速度

假如要飛離地球到達月球,那麼不只是需要環繞速度,而需要一個逃逸速度!要理解逃逸速度也挺簡單,標準的環繞速度是一個正圓形,只要在這個正圓形軌道上持續加速,那麼它跑出一個開始加速點為近地點的橢圓軌道,再加速則會變成大橢圓軌道,繼續加速則會變成拋物線軌道甚至雙曲線軌道,當這個橢圓不再閉合時的速度,就是逃逸速度,也就是地球的第二宇宙速度!

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

準確的說飛向月球並不需要真正的逃逸速度,它只需要一個遠地點距離達到38萬千米的大橢圓軌道即可,比如很多火箭推力不夠的月球探測器就是利用星載發動機,慢慢將軌道拉到越來越橢圓,一直到遠地點夠著月球!但這個速度已經和逃逸速度相差無幾了,所以如果有人告訴你去月球需要第二宇宙速度,其實也沒錯!

第三宇宙速度

其實準確的說,根本不存在什麼第三宇宙速度,整個宇宙都只需要第二宇宙速度即可!因為有了逃逸速度就可以逃出任何天體的束縛了!但在行星繞行恆星的這種模式下逃離恆星系時則會存在一個第三宇宙速度!

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即:地球逃逸速度和地球軌道上太陽的逃逸速度平方和開根號

因為它不但需要逃離行星引力的束縛,同時它也在繞行恆星公轉,必須要疊加一個在當前行星軌道上逃離恆星的速度,兩者疊加將會計算出一個第三宇宙速度,一旦探測器達到這個速速,那麼它將飛離恆星系,比如旅行者系列就已經達到了這個速度,它們的軌道不再閉合,永遠都不會再回到太陽系!

為什麼國際空間站和通訊衛星需要經常點火維持軌道

從上文中我們可以知道,從原理上分析,如果探測器或者衛星不再折騰,比如它並不想逃離地球或者太陽系,那麼它將無需任何燃料,持續的在軌道上執行!但事實上決定一顆衛星命運的不只是電源,還有它所裝載的燃料!

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ESA的GOCE衛星軌道只有250千米,上圖是它的流線型設計和離子發動機

軌道維持與姿態控制

對於空間站而言,軌道維持是對它維護中一項成本非常高的支出,因為國際空間站的軌道大約是400多千米的正圓形軌道,在這個位置仍然在大氣層的逸散層範圍內,稀薄大氣分子會對龐大的桁架式結構產生很大的阻力,而且為提供電能,國際空間站還有超大面積的太陽能電池!

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

因此在這種微弱阻力的作用下,國際空間站軌道衰減非常快,除此以外,太陽活動的帶電粒子還經常擾動地球磁氣圈,會讓大氣層的逸散層大氣分子密度出現大幅變化,因此太陽活動造成的影響也非常大!

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最近一年國際空間站高度調整記錄

雙重作用下,國際空間站每個月軌道衰減大約是2千米,因此每隔一段時間就需要調整一次軌道,當然軌道調整是需要用燃料的,國際空間站使用的是常溫肼基燃料,每年因為軌道調整消耗掉超過4噸燃料!據說每千克物資送到近地軌道都需要上萬美元,這燃料費用一年就得4000萬美元!

為什麼軌道不高點?

確實軌道高一些就不再受到大氣層的困擾,但會存在兩個問題,太高會受到範艾倫輻射帶影響,輻射增加,那麼比400千米稍高點,比如800千米(內範艾倫輻射帶1500千米以上),避開了輻射帶,大氣層影響又降低,但又會有個補給飛船的難度增加的問題,所以國際空間站的軌道高度是一個妥協的結果!

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國際空間站軌道資料

定位維持

國際空間站有軌道衰減的問題,但在地球靜止軌道上的衛星卻沒有這個頭痛的問題,那裡已經無需考慮大氣層阻力的問題,理論上一個物體即使不用任何燃料,它也能在這個軌道上保持百萬年之久!但作為靜止軌道上的衛星,它仍然需要燃料維持!

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

衛星此處的速度為3。07千米/秒,但靜止軌道上的衛星在地面看來都靜止不動的,所以上面的每一顆衛星都有“固定”的位置,因此必須要保證衛星不能跑遠!但靜止衛星在軌道上會因重力梯度不均勻以及太陽風的影響,逐漸偏離正確的位置,因此星載燃料就是讓衛星迴到原來位置!

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

早期衛星也會用燃料維持姿態,現代衛星和探測器大都用動量輪來維持,但動量輪失敗時也會用姿態發動機輔助,比如日本探測絲川小行星的隼鳥號探測器就幹過這樣的事!當然這並非所有衛星都具備這種功能,比如早期的東方紅一號,上面就根本沒有發動機和姿態維持的動量輪,當時使用的是自旋穩定,東方紅一號的自轉速度是120rpm/min,也就是每秒2圈,它用的也是全向天線,所以不存在指向性問題。

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

離子發動機

到了後期,離子發動機成熟應用到了衛星上,這種發動機原理挺簡單,即將介質電離,然後在電場下將帶電粒子向後方加速排出,實現超前的推力,離子發動機只需要電能和少量的燃料,一般都是氙,也有汞離子發動機(早期),其實現在又有將汞離子發動機撿起來的味道,因為汞密度大,而且汞離子質量也大,消耗更低(只是有毒),而近地軌道上電能並不是問題!

既然太空沒有阻力,為什麼衛星入軌後還要消耗燃油,繼續加速?

因此未來的衛星軌道維持發動機都會朝離子化發展,而正在展開的行星際載人航行,也有望使用上離子發動機,它應該是人類走遍太陽系的有力支撐!

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