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为什么有的人造卫星会掉下来?

人造卫星之所以能够绕地球运行而不掉下来,是因为发射它的运载火箭给了它较高的飞行速度,从而可以产生能够抵消地球引力的惯性力而绕地飞行。换句话说就是,如果人造卫星具有的惯性力与地球引力大小相等、方向相反,卫星就可以绕地球在圆轨道上运行。这时,卫星的飞行速度称为环绕速度。由于人造卫星在不同轨道高度所受到的地球引力大小是不一样的,因此它所需的环绕速度也是不一样的。例如,离地面200千米时,环绕速度为7.79千米/秒;离地面1000千米时,环绕速度为7.36千米/秒;离地面5000千米时,环绕速度为5.92千米/秒;离地面35800千米时,环绕速度为3.08千米/秒。

如果人造卫星在某一高度上的速度低于其相应的环绕速度,就会往下掉。在低轨道上飞行的卫星会受到少量残存大气的阻力,速度逐渐降低。速度降低意味着惯性力减小,如果不适时利用卫星上的发动机提升卫星的速度,卫星轨道高度就会不断降低。最终,卫星会在地球引力作用下,沿螺旋线轨迹落入地球大气层烧毁。在低轨道上运行的卫星失效后经常会掉下来,而在高轨道上运行的卫星因不会受到残存大气的影响,所以即使失效也可以靠惯性在轨道上继续飞行多年。

【知识点】多普勒频移

多普勒测速系统是利用多普勒频移现象来测量卫星轨道的。要解释多普勒测速,就要首先介绍多普勒频移。例如,当火车向我们驶来时,我们听到的火车鸣笛声音变得尖细(也就是声音的频率变高),而当火车离我们远去时,火车鸣笛声变得低沉(声音的频率变低),这是由于发射机(火车鸣笛)和接收机(我们的耳朵)之间存在相对运动,接收机接收到的信号频率与发射机发出的信号频率之间出现差值,即频率偏移。因为这一现象是由奥地利物理学家多普勒首先发现的,故叫作多普勒频移。多普勒频移的大小是与相对运动速度成正比的。所以,通过测量所接收的卫星信号的频移,就能计算出卫星高度、速度和方位。

【发散思维】人造卫星轨道有多少条?都有哪些形状?