東方紅一號的設計壽命只有20天,但現在已經運行了47年,沒有燃料,它是怎麼運行的?

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東方紅一號衛星是中國發射成功的第一顆人造地球衛星,於1970年4月24日由長征一號運載火箭從甘肅酒泉衛星發射場發射。直到今天,這顆衛星仍在繞地軌道上運行。

東方紅一號衛星現在依靠慣性運行。

當時我國還不具備在衛星上使用太陽能電池的技術,東方紅一號衛星依靠銀鋅電池供電。由於電池蓄電量有限,衛星設計壽命只有20天,實際上衛星發射信號時間為28天,此後,這顆衛星就與地面失去聯繫了。但由於這顆衛星當時的運行軌道是一條大橢圓軌道,近地點439千米,遠地點高達2384千米,加之衛星近球形的設計,可以最大限度地減小空氣摩擦阻力,所以不同於圓軌道衛星,這顆衛星在太空運行的時間非常長,雖然早已停止工作,但東方紅一號還在太空中依靠慣性飛行。

告訴你這顆衛星已經運行了47年的人,其實是誤解了“運行”這個詞。

和“設計壽命”一樣,嚴格地說,衛星“運行”是指它能正常執行所設計的功能,而不只是它保持在地球軌道上不落下來。當然,衛星發射入軌後一直繞著地球不停地飛行,這也經常被稱為“運行”,但保持這種狀態是可以與衛星本身的壽命和狀態完全無關的。

衛星理論上是一種航天器,它與飛行器有相似之處,但其實特殊得多。它的“飛行”靠的是運載火箭將它推離地面,最起碼到達距地面數百公里的低地球軌道(有的衛星軌道還會高得多),並賦予它一個很高的初速度。根據牛頓定律,在這樣的位置,已經沒有空氣阻力,有了這樣的初速度,衛星無需發動機推進,也能永遠保持這個速度勻速飛行,同時因為這個速度產生的繼續飛離地球的離心力,又與衛星受到的地球引力抵消,衛星便永遠保持在這個高度不停地勻速飛行,一圈又一圈,週而復始,直到有別的作用力改變它的狀態。

如果把這也稱作“運行”,那衛星豈止“運行”47年,100年,1000年也是可以的,因為它根本不需要燃料。而且,不止是衛星,你如果用火箭扔一塊石頭到計算好的合適軌道上,它也會這樣永久“運行”,就連航天員從空間站打出去的一個高爾夫球也會如此。

但衛星又是需要幹實事的,否則誰花那麼多錢發射它。星載設備的工作需要電能,這一般靠太陽能電池板或小型核動力反應堆提供;剛才說的繞地球永久飛行也是理論上的,在低地球軌道,衛星會受到極細微的阻力,軌道有緩慢的衰減,但積累下來會使它被地球引力拉下來,進入大氣層燒燬。另外衛星的某些功能有時也需要它改變軌道,因而衛星攜帶有燃料和變軌發動機用於這些保持軌道和變軌。這種燃料耗盡,衛星會失去變軌和保持軌道能力,但只要軌道高度足夠,大部分衛星即使完全報廢,也永遠不會掉下來,除非派別的航天器上去把它摘下來。

大量報廢衛星,使有的軌道上已經非常擁擠,合適的位置已很少。它們還和其它航天器殘骸一起,實際上已經構成一個公害,就是太空垃圾,它們的軌道交錯多變,相互碰撞,形成更多、更小的碎片,多達幾十萬塊,使情況更加惡化。


小狼航拍


↑東方紅一號↑

東方紅一號壽命有多久?

東方紅一號作為中國發射的第一顆衛星,其設計功能和壽命如下:

  • “東方紅一號”衛星的主要任務是進行衛星技術試驗、探測電離層和大氣層密度。“東方紅一號”衛星除了裝有試驗儀器外,還可以以20.009兆赫的頻率發射《東方紅》音樂(音樂盒由502所研製),該星採用銀鋅電池為電源。
  • “東方紅一號”衛星設計工作壽命20天(實際工作壽命28天),期間把遙測參數和各種太空探測資料傳回地面,至同年5月14日停止發射信號。

也就是說,在1970年的5月14日就已經耗盡了全部電力,並喪失了全部功能。

衛星的壽命和運行時間是兩回事

衛星是具有一定功能的,要實現這些功能就需要能量,那些需要長時間工作的衛星一般都會攜帶有太陽能電池板,作為自己能量的來源。但是東方紅衛星並沒有攜帶太陽能電池板,所以很快就能量耗盡、沒有任何功能了。

但是衛星在軌道上運行,是不需要能量的。

這是由於衛星圍繞地球的的運行是靠慣性作用,並且由於圓周運動時候的離心力與受到地球的吸引力相互平衡,所以在理想情況下沒有空氣阻力作用的話,衛星會永遠繞地球運動。這也是為什麼東方紅一號可以連續四十七年還在地球軌道上運動的原因。

實際上東方紅一號最終會隕落

只是實際上東方紅一號運行的軌道附近還是會有稀薄的空氣不斷與衛星發生摩擦,所以衛星速度下降、其軌道位置也會逐漸下降,並且越下降大氣愈發稠密、衛星動能耗損越快,衛星的下降速度也越來越快,最終衛星會墜落地球、並且在與大氣的劇烈摩擦中化為灰燼。

我們能夠看到東方紅一號嗎?

實際上是可以的。

比如說,我在網站n2yo.com上就可以搜到東方紅一號的實時位置。鏈接地址如下:

https://www.n2yo.com/satellite/?s=4382

這是一個非常有意思的事情,可以看到這顆快要五十歲的衛星的實時位置。

而且有一個非常驚人的事實就是:我們可以用肉眼看到東方紅一號衛星!

比如說在東方紅一號衛星45歲生日的時候(2015年4月29日),北京天文館朱進老師微博發文“東方紅一號衛星45歲生日過境北京”,並配發了他拍攝的照片。

↑朱進老師拍到的東方紅一號衛星↑

圖中的那個最亮的點就是東方紅一號。甚至於我記得看過一個紀錄片,在東方紅一號發射成功後的那幾天,全國各地都組織人民群眾夜裡觀看東方紅一號從自己的頭頂飛過。

關於東方紅一號的漫畫

總之,讓我們記住這些英雄。


SilentTurbine



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