轨道解释:进入太空很困难,但一旦你在那里,就会变得健壮

CNET · 企业 · 07月14日
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空间比你想象的要近-大约62英里高,离你只有一点远,离圣何塞弗朗西斯科只有一点远。天哪,你可以乘气球到一半的空间。

事实证明,太空最困难的部分不是停留在那里,而是到达那里。轨道的想法就是在那里发挥作用。一旦你完成了让航天器进入轨道的艰苦工作,你就可以利用它多年,因为它或多或少地在自己看不见的轨道上绕着地球旋转。

研究航空航天飞行器的德雷克塞尔大学教授Ajmal Yousuff说,轨道是"太空中的道路" , "你把飞行器放在太空中,它就留在那里。 "

科学家们在人类发射航天器几个世纪前就知道了轨道是如何工作的,但我们其他人有很多事情要了解这些地球上的环形轨道-以及学习它的充分理由。随着新的政府和私营部门的项目,空间将比20世纪60年代开始时的太空时代更加重要。

在其他努力中,有几家公司正在向天堂填充互联网上的发光卫星,新的SpaceX火箭已经开始向国际空间站运送宇航员,美国军方已经建立了新的空间力量, NASA正在计划月球和火星的任务。

还有太空游客,首先是一批亿万富翁和他们的火箭公司:理查德·布兰森(Richard Branson)和维珍银河(Virgin Galactic)、 杰夫贝佐斯(Bezos)和蓝起源(Blue Origin),以及更雄心勃勃的埃隆·马斯克(Elon Musk)和太空人。布兰森周日刚刚来到太空边缘,而贝佐斯将在7月20日再往上飞一点,蓝起源一直在争论布兰森是否真的飞得足够高。马斯克希望在今年年底之前派四重奏成员环绕地球-并在2023年打破地球轨道,绕着月球转。

软件公司Hypergiant的首席执行官本 Lamm表示: "这是一个新的空间时代,也是新的空间竞赛。 "他的公司正在与美国Air Force合作研制变色龙航天器,该航天器的设计比传统航天器更具适应性、独立性和智能。

让我们从艾萨克牛顿开始

如果你想了解轨道,一个很好的起点是艾萨克牛顿,他的研究为现代科学铺平了道路,解释了运动、光和引力。牛顿1685年发表的《世界系统论》优雅地概括了轨道如何与不需要任何微积分的思想实验一起工作。

这个想法,有时被称为牛顿的炮弹,是这样的。想象一下,从高山上水平射击一块石头,逐渐提高它的射击速度。

牛顿说: "投影的速度越大,在落到地球之前,投影的距离就越远。 "随着水平速度的增加, "它描述的是在到达地球之前1 、 2 、 5 、 10 、 100 、 1000英里的弧线,直到最终超过地球的极限,它应该在不接触地球的情况下通过。 "

换句话说,由于地球的曲率,石头的下落速度与地球表面的下降速度完全一样。在牛顿的实验中,以正确的速度拍摄的石头会绕地球旋转,然后撞击回到山上。

在现实世界中,与地球大气层的摩擦会在弹丸绕地球并返回山上之前很久就减缓弹丸的速度。但在进入空气稀少的空间几英里的地方,弹丸会继续绕着轨道运行,几乎没有任何东西可以阻止它。

快速横行,而不是向上

这使我们面临将卫星送入轨道的主要困难:获得足够的水平速度。

无论你是在观看巨大的土星五号火箭将人类送上月球,还是细长的烛台发射较小的航天器,你所看到的火箭都会产生巨大的推力。然而,绝大多数火箭燃料都会将航天器向侧面推进,而不是向上推进。当你观看火箭发射时,几乎在飞船离开发射台后,就会立即开始向水平倾斜。

这些航天器的运行速度有多快?第一颗人造卫星是俄罗斯于1957年发射的人造卫星Sputnik - 1 ,它在地球表面上空以大约每小时1.8万英里(约合每秒8公里)的速度运行。国际空间站以7.7公里(约合每小时1.7万英里)的速度旋转。

相比之下,超音速协和客机的时速只有1500英里左右。

SpaceX需要比亚马逊首席执行官杰夫 ·贝佐斯(Bezos)资助的火箭初创公司Blue Origin更多的力量,才能在没有进入轨道的情况下上下发射新的谢泼德火箭。

航天器的轨道越低,它的运行速度就越快。这就是为什么哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)每95分钟绕地球转一圈,而全球定位系统(GPS)的导航卫星在每一轨道上运行12 , 550英里(20 , 200公里),需要12个小时。

从地球上获得发射助推

地球的自转给火箭一个健康的东飞,发射离赤道越近,发射的距离就越大。

这在一定程度上解释了为什么美国的发射场位于美国南部,也解释了为什么欧洲航天器有时是从南美洲的圭亚那航天中心发射的,那里离赤道只有5度的纬度。 NASA曾考虑过从赤道地点发射月球任务-尽管飞行因素仅次于与月球轨道相匹配的燃料考虑。

当SpaceX发射火箭时,它储备了一些燃料,以便在航天器进入轨道的工作完成后,将火箭的第一级返回地球。对于从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射的火箭,火箭级降落在向东数百英里的大西洋上的一艘无人驾驶船上。

低地球轨道:加入缔约方

太空从我们上方约62英里(100公里)开始,尽管边界有些武断。(NASA和联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)把边界定在50英里(对任何爬得这么远的人来说都是如此。)比它高一点,达到地球表面上方约1243英里(2000公里),是太空中最受欢迎的部分,称为低地球轨道(Low Earth Orbit ,简称LEO)。

在这里,你可以找到国际空间站,以及用于天气预报、间谍、电视、成像以及越来越多的卫星宽带的卫星。除了在NASA的阿波罗飞行任务中到达月球附近的几个人之外,每个在太空中的人都在近地天体上拥抱了地球。

SpaceX StarLink服务目前正处于测试阶段,该服务在其星座中接近1000颗卫星,即将到达2200多颗卫星。亚马逊的Kuiper项目计划发射3200颗卫星。 OneWeb计划发射高达4.8万颗卫星,尽管其近期计划今年遇到了破产问题。总部位于加拿大、俄罗斯和中国的公司计划发射更多卫星。

Hawkeye 360首席执行官约翰 Serafini说,进入狮子座比以往任何时候都容易,这引发了" LEO创新的黄金时代" ,他的公司帮助政府和军事客户跟踪无线电信号,以发现蛇头或丢失的船只等主题。

" Hawkeye 360在10年前几乎不可能建造一个卫星星座, "但SpaceX的可重复使用火箭和其他改进降低了发射成本。 "比以往任何时候都有更多的机会赶上进入轨道, "他说。

不过,因为低地球轨道相对容易接近,它也是地球上大多数太空垃圾轨道的所在地。与大气层上层边缘的摩擦将碎屑的一小部分拖走。卫星也必须考虑到大气摩擦,经常用温和但方便的太阳能离子推进器勉强维持正确的轨道。

向地球同步轨道驶去

半熟地球轨道(Earth Orbit)距离地球约22 , 233英里(35 , 780公里),与低地轨道相比,是一个沙漠。

美国的GPS 、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)和中国的北斗(Beidou)是大型卫星导航星座,每个星座大约有24颗卫星。 GPS在智能手机导航上很方便,但军事用途也是这些卫星发射和维护费用的最高理由。

地球同步轨道刚好在地球同步轨道的上边界之上,地球同步轨道是一个轨道周期与地球自转相匹配的甜蜜点。在赤道上方的地球同步轨道上的一颗卫星,称为地球静止轨道,出现在从地球上看到的天空中的完全相同的位置。

这对通信特别有用,因为你可以将固定的地面站天线直接指向卫星。然而,无线电传输延迟和信号强度要比轨道较低的航天器差。

地球同步轨道上并不是所有的停车位都是平等的。德雷克塞尔的YouSuff说,地球密度的变化将一些卫星推离它们的位置,需要偶尔的推进才能保持它们的直线。

圆和椭圆

虽然许多轨道是圆形的,但有些轨道被拉长成更椭圆的形状,当卫星远离地球时,会减慢它的速度。

椭圆轨道对于改变轨道也很方便。 NASA的阿波罗任务从发射航天器进入地球轨道开始,然后新的火箭燃烧将它们发射到一个椭圆形轨道上,向月球延伸,让宇航员在大部分时间里沿着海岸线前进。另一枚火箭燃烧将航天器插入月球轨道。

尤素福最喜欢的轨道类型之一是椭圆轨道。俄罗斯大部分地区都在赤道以北,这限制了地球静止卫星的用途。因此,俄罗斯人提出了一种名为Molniya轨道的替代方案。

在Molniya轨道上,一颗卫星在其轨道上最接近的点,即近地点,掠过澳大利亚上空,然后自然变慢,因为它到达了莫斯科上空的最高点,即Apogee 。这样一来,它在轨道上的大部分时间都可以有效地进入。

最初的天狼星卫星无线电系统也使用Molniya轨道,尽管在获得XM卫星无线电成为天狼星XM无线电后,它采用了XM的地球静止轨道方法。

还有很多其他的轨道类型,比如穿越地球两极的极地轨道。而达到地球逃逸速度的航天器可以绕太阳转。例如, SpaceX的星际人的轨道刚刚在火星附近进行了埃隆·马斯克(Elon Musk)的宣传噱头。如果今天在低地球轨道上的商业活动不断降低火箭发射成本,也许实际的人类会跟随他。

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