人造卫星：它们的用途是什么，操作类型如何，重要 - 阿特 - 2025

该卫星是车辆或内置了专门被释放到空间，而剧组的设备，以环绕地球轨道或其他天体。

关于建造人造卫星的最初想法来自科幻小说作者，例如儒勒·凡尔纳（Jules Verne）和亚瑟·克拉克（Arthur C. Clark）。后者是皇家空军的雷达军官，在第二次世界大战结束时，提出了使用地球周围轨道上的三颗卫星来维护电信网络的想法。

图1.人造卫星绕地球飞行。资料来源：维基共享资源。

当时，尚无办法将卫星送入轨道。1950年代初期，美国军方花了几年的时间才生产出第一套卫星通讯。

美国和苏联之间的太空竞赛促进了人造卫星产业的发展。第一颗成功进入轨道的是1957年的苏联人造卫星，它发射的信号范围为20-40 MHz。

随后，出于通信目的，美国发射了EchoI。从那时起，两个国家都成功进行了多次发射，随后许多国家加入了这项新技术。

人造卫星有什么作用？

-在电信领域，用于广播，电视和手机消息的重发。

-在科学研究和气象研究中，包括制图和天文观测。

-出于军事情报目的。

-对于导航和位置使用，是最著名的GPS（全球定位系统）之一。

-监视陆地表面。

-在空间站中，旨在体验地球以外的生命。

它们如何工作？

艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643-1727年）在其《原理》中确立了将人造卫星送入轨道的必要条件，尽管他以人造卫星为例，从山顶发射炮弹，而不是人造卫星。

子弹以一定的水平速度发射，遵循通常的抛物线轨迹。速度越来越快，水平范围越来越大，这是显而易见的。但是，一定速度会导致子弹进入地球轨道吗？

地球每8公里以4.9 m的速度从切线切到曲面。从静止释放的任何物体在第一秒内将掉落4.9 m。因此，当以8 km / s的速度从峰顶水平发射子弹时，在第一秒内它将下降4.9 m。

但是地球在那段炮弹下方弯曲时，到那时还将下降4.9 m。它继续水平移动，覆盖8公里，在此期间相对于地球保持在相同的高度。

自然，同一件事发生在下一秒之后，并且在所有后续秒中，只要没有摩擦，就将子弹变成人造卫星，而无需任何额外的推进。

但是，由于空气阻力造成的摩擦是不可避免的，这就是为什么需要助推火箭的原因。

火箭将卫星提升到很高的高度，在这种稀薄的大气层中阻力较小，并具有必要的水平速度。

这样的速度必须大于8 km / s且小于11 km / s。后者是逃逸速度。以这种速度进行投射，卫星将放弃进入地球的重力影响。

人造卫星结构

人造卫星包含各种执行其功能的复杂机制，其中包括接收，处理和发送各种类型的信号。它们还必须轻巧并且具有操作自主权。

所有人造卫星的主要结构都是相同的，根据目的，人造卫星又具有几个子系统。它们安装在由金属或其他轻质化合物制成的外壳中，该外壳用作支撑物，称为总线。

在公共汽车上，您可以找到：

-包含计算机的中央控制模块，使用该模块处理数据。

-接收和发送天线，用于通过无线电波进行通信和数据传输，以及望远镜，照相机和雷达。

-机翼上的太阳能电池板系统，可在卫星遮阴时获取必要的能量和可充电电池。如果卫星处于低轨道，则根据轨道的不同，它们大约需要60分钟的阳光才能为电池充电。距离越远的卫星花费更多的时间暴露在太阳辐射下。

由于卫星将长时间暴露在这种辐射下，因此需要一种保护系统以避免损坏其他系统。

暴露的部分会变得非常热，而在阴影下会达到极低的温度，因为没有足够的气氛来调节变化。因此，需要散热器以消除热量，并在需要时用铝盖保存热量。

人造卫星的类型

根据其轨迹，人造卫星可以是椭圆形或圆形的。当然，每个卫星都有一个指定的轨道，该轨道通常与地球旋转​​的方向相同，称为异步轨道。如果由于某种原因，卫星以相反的方向行进，则它具有逆行轨道。

在重力作用下，物体根据开普勒定律沿椭圆路径运动。人造卫星无法幸免，但是，某些椭圆形轨道的偏心率很小，可以认为它们是圆形的。

轨道也可以相对于地球赤道倾斜。倾斜度为0º时，它们是赤道轨道；如果倾斜度为90º，则它们是极轨道。

卫星的高度也是一个重要的参数，因为第一条Van Allen带高度在1500-3000 km之间，这是由于其高辐射率而应避免的区域。

图2.人造卫星的轨道，高度和速度。尽管所有轨道上都有残留物，但废弃的卫星仍进入公墓轨道。资料来源：维基共享资源。

卫星轨道

卫星的轨道是根据其执行的任务来选择的，因为对于不同的操作，卫星的高度或多或少是有利的。根据此标准，卫星分为：

- LEO（低地球轨道），它们是千米高500和900之间，并描述的圆形路径，用约1小时半至90°的倾斜的周期。它们用于手机，传真机，个人传呼机，车辆和船上。

- MEO（中地球轨道），它们是在5000-12000公里，50°倾角和一个6小时内约之间的高度。它们还用于手机中。

- GEO（地球同步轨道），或地球同步轨道，虽然这两个术语之间的小差异。前者的倾角可变，而后者的倾角始终为0º。

无论如何，它们都在或多或少-36,000公里的高空。它们在1天的时间内运行圆形轨道。多亏了他们，传真，长途电话和卫星电视以及其他服务才可用。

图3.人造卫星的轨道图。1）地球。2）狮子座。3）MEO，4）地球同步轨道。资料来源：维基共享资源。

对地静止卫星

最初，通信卫星的周期不同于地球自转的周期，但这使天线的定位变得困难，并且通信中断。解决方案是将卫星放置在一定高度，使其周期与地球自转周期一致。

这样，卫星与地球一起绕轨道运行，并且似乎相对于地球是固定的。将卫星放入地球同步轨道所需的高度是35786.04公里，被称为克拉克带。

可以通过使用牛顿万有引力定律和开普勒定律的以下表达式确定周期来计算轨道的高度：

其中P是周期，a是椭圆轨道的半长轴的长度，G是万有引力的万有常数，M是地球的质量。

由于以这种方式，卫星相对于地球的方向不会改变，因此保证了卫星始终与地球接触。

地球上最重要的人造卫星

人造卫星

图4.人造卫星人造卫星的复制品，这是历史上第一颗人造卫星。资料来源：维基共享资源。

这是人类历史上的第一颗人造卫星，由前苏联于1957年10月送入轨道。作为人造卫星计划的一部分，这颗人造卫星随后又增加了3颗。

第一枚人造卫星很小而轻：主要是83公斤铝。它能够发射20至40 MHz的频率，在轨道上运行了三周，然后坠落到地球上。

如今，在俄罗斯联邦，欧洲甚至美国的许多博物馆都可以看到人造卫星的复制品。

航天飞机

另一个著名的载人飞行任务是空间运输系统STS或航天飞机，该飞行器于1981年至2011年投入运行，除其他重要任务外，还参加了哈勃太空望远镜和国际空间站的发射，修理其他卫星。

航天飞机有一个异步轨道，可重复使用，因为它可以进出地球。在五艘渡轮中，有两艘与他们的船员一起被意外摧毁：挑战者号和哥伦比亚号。

GPS卫星

全球定位系统以在全球任何地方准确定位人和物体而闻名。GPS网络至少包括24颗高空卫星，其中始终有4颗从地球可见的卫星。

它们在20,000公里的高度进入轨道，周期为12个小时。GPS使用类似于三角测量的数学方法来评估对象的位置，称为三角测量。

GPS不仅限于定位人员或车辆，它在制图，勘测，大地测量，营救行动和体育活动等其他重要应用中也很有用。

哈勃太空望远镜

这是一颗人造卫星，可提供太阳系，恒星，星系和遥远的宇宙无与伦比的前所未有的图像，而地球的大气或光污染不会阻挡或扭曲远处的光。

图5.哈勃太空望远镜的视图。资料来源：美国国家航空航天局，通过Wikimedia Commons。

因此，它于1990年发射升空，是近代天文学最显着的进步。哈勃望远镜重达11吨的巨大圆柱体位于340英里（548公里）的高度，以圆周运动绕地球旋转，历时96分钟。

预计它将在2020年至2025年之间停用，由詹姆斯·韦伯太空望远镜取代。

国际空间站

它被称为ISS（国际空间站），是一个轨道研究实验室，由全球五个航天机构管理。到目前为止，它是现有的最大的人造卫星。

与其他卫星不同，太空站中载有人类。除了至少有两名宇航员的固定人员外，游客甚至还参观了该站。

该站的目的主要是科学性。它有4个实验室，在其中研究了零重力的影响并进行了天文，宇宙和气候观测，以及生物学，化学和辐射对各种系统的影响的各种实验。

钱德拉

这颗人造卫星是观测X射线的天文台，X射线被地球大气吸收，因此无法从表面进行研究。美国宇航局于1999年通过哥伦比亚航天飞机将其送入轨道。

铱星通讯卫星

它们由LEO型轨道上780公里的高空中的66颗卫星组成的网络，周期为100分钟。它们是由摩托罗拉电话公司设计的，用于在无法到达的地方提供电话通信。但是，这是一项非常昂贵的服务。

伽利略卫星系统

它是由欧盟开发的定位系统，相当于GPS，用于民用。它目前有22颗正在运行的卫星，但仍在建造中。在开放版本中，它能够定位1米精度的人或物体，并且可与GPS系统的卫星互操作。

陆地卫星系列

它们是专门为观测地球表面而设计的卫星。他们于1972年开始工作。除其他事项外，他们还负责绘制地形图，记录有关两极冰运动和森林范围以及采矿勘探的信息。

格洛纳斯系统

它是俄罗斯联邦的地理定位系统，等同于GPS和Galileo网络。

人造卫星观测

业余卫星可以从地球上看到人造卫星，因为它们反射了阳光并且可以被视为光点，即使太阳已经落山了。

要找到它们，建议在电话上安装一个卫星搜索应用程序，或咨询跟踪卫星的互联网站点。

例如，哈勃太空望远镜可以用肉眼看到，或者更好的是用好的双筒望远镜（如果您知道在哪里看的话）。

观测卫星的准备工作与观测流星雨的准备工作相同。最好的结果是在非常黑暗和晴朗的夜晚，没有云，没有月亮，或者月亮低在地平线上时获得的。离光污染越远越好，您还必须带上保暖的衣服和热饮。

参考文献

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