1970年4月24日，東方紅一號劃破夜空，伴隨著激昂的《東方紅》旋律，中國第一顆人造衛(wèi)星騰空而起，成功入軌。這是我國航天史上的高光時刻，也是在錢學(xué)森等一批“兩彈一星”元勛的帶領(lǐng)下，中國邁向太空的第一步。
而令人驚訝的是，這顆原本設(shè)計壽命只有20天的衛(wèi)星，竟然在太空中默默飛行了五十多年！至今仍在環(huán)繞地球運行，這是為什么呢？我們一起來解鎖它背后的“飛行密碼”。
首先，要回答這個問題，我們得從衛(wèi)星為什么不會掉下來”說起。
在地球附近，無論是飛機(jī)還是火箭，都要克服地心引力。而大多數(shù)飛行器在飛行時，需要不斷產(chǎn)生升力才能飛行在空中，比如飛機(jī)靠的是空氣對機(jī)翼的壓力差來飛。但在太空，空氣幾乎不存在，空氣動力學(xué)徹底失效，那衛(wèi)星是靠什么在空中飛呢？
在了解這個問題之前我們先來說說牛頓大炮，牛頓大炮是牛頓提出的一個思想實驗，它并不是現(xiàn)實中真的造了一門大炮，而是牛頓用來說明萬有引力與軌道運動關(guān)系的一個比喻模型。這個想法最早出現(xiàn)在牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，是他試圖解釋為什么月球不會掉到地球上、而是圍繞地球轉(zhuǎn)動的原因。
牛頓假設(shè)，在一座非常非常高的山頂上，安放了一門超級大炮，它朝著水平方向發(fā)射炮彈。接下來，根據(jù)炮彈的初速度不同，會出現(xiàn)完全不一樣的結(jié)果。速度較慢時，炮彈會在飛出一段距離后落回地面，就像我們?nèi)粘？吹降呐趶椳壽E一樣。速度增加，炮彈會飛得更遠(yuǎn)，落地的點也越來越遠(yuǎn)。
達(dá)到臨界速度，炮彈會繞著地球轉(zhuǎn)一圈后回到原點！因為此時它的下落速度正好等于地球曲率的變化速度，于是就開始圍繞地球不斷轉(zhuǎn)圈！這就是第一宇宙速度。這個速度大約是7.9公里/秒，也就是說，每秒飛7.9公里，就可以進(jìn)入繞地球運行的軌道。
這個簡單的思想實驗揭示了萬有引力和軌道運動的本質(zhì)聯(lián)系，而衛(wèi)星之所以不會掉下來，不是因為沒有引力，為此時它處于一個“自由下落，但始終繞不過地球弧度的狀態(tài)，于是形成環(huán)繞軌道。
那么我們回到話題，為什么“東方紅一號”能飛這么久？
答案在于這顆衛(wèi)星被送入一個近地點約441公里、遠(yuǎn)地點約2368公里的橢圓軌道。在這個高度，雖然不能說是真正的真空”，但氣體非常稀薄，幾乎不會對衛(wèi)星造成明顯的減速。沒有空氣阻力 = 沒有能量損耗 = 可以一直飛。
根據(jù)目前監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，東方紅一號現(xiàn)在在一個近地點432公里、遠(yuǎn)地點2030公里的軌道中運行，每天繞地球飛13圈左右。雖然相比當(dāng)年已經(jīng)有了輕微的軌道下降，但50多年來“只掉了10公里”，可以說非常穩(wěn)定。
不過“東方紅一號”雖然還能飛很久，但它不可能永遠(yuǎn)留在太空中。當(dāng)軌道慢慢降低，逐漸接近大氣層稠密區(qū)域時，它會受到越來越大的空氣阻力，速度下降，軌道進(jìn)一步下墜。直到某一天，它沖入大氣層，在巨大的摩擦熱中燒毀解體，化作一縷塵埃。這也是絕大多數(shù)人造衛(wèi)星的最終歸宿。
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