微重力衛星相比普通衛星是不是會多耗費更多能源?
http://news.163.com/16/0406/02/BJUF7K7I00014JB6.html
為了對抗地心引力啥的?
蟹妖
結論放前面:不會,目前人類造出來的絕大多數衛星,都是靠慣性在天上飛的,跟一顆在太空里飛的石子沒什麼很大區別。衛星受重力作用(而且和在地上差別不大),但由於衛星的重力和離心力抵消了,所以總體上看衛星不表現出受重力作用的樣子。衛星用以克服重力的,是速度。所謂的微重力衛星,是指在上面干一些需要在微重力情況下才能幹的事情,這裡的「」微重力「」頭銜,和遙感衛星、通訊衛星裡頭的「遙感」、「通訊」一樣,是描述任務的,不是描述衛星本身的。
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首先來講這個重力、加速度、重力加速度的關係
重力的來源大家都知道,萬有引力嘛,F=GMm/r^2,地球(M)和地球上的東西(m)互相吸引,然後因為地球太大了,所以看上去好像地球上的東西都往地球上貼,於是我們人為規定了一種力,這種力方向指向地心,是為重力。
加速度的來源大部分人都知道,F=ma,當有力作用在物體上的時候,物體的加速度就會改變,而由重力產生的加速度,我們叫重力加速度,縮寫是g,g=GM/r^2,數值根據離地高度不同而不同,地面上大約為9.8m/s^2。
這裡,需要區分一下引力質量和慣性質量。因為重力加速度產生的過程是這樣的:先因為地球和物體的引力質量,產生了引力,這個力作用在物體上,然後才產生加速度,而這個加速度的數值,是等於引力的大小除以物體的慣性質量。只是,根據大量的實驗證明,引力質量和慣性質量是等價的,也就是數值相等,於是我們在計算的時候可以忽略二者的區別,直接得到重力加速度g。
於是,g有了兩個身份,一個是用於表徵當地的重力情況,這時g的大小和位置有關,是一個變數;另一個是表徵物體受重力產生的運動狀態,這時g的大小固定為9,8m/s^2,作為一個衡量加速度的單位存在。當新聞中提到10^-4g的時候,其實說的是第二個身份,表徵運動狀態。
再來講這個衛星是怎麼上天的
如果你沿水平方向丟出去一顆石子,石子受重力作用會往下掉,最後掉到地上。你用的力越大,石子飛得越遠,落地的地方也越遠。另外我們知道地球是有曲率的,極目遠眺看到的地平線,就說明了在任何一個地方沿水平方向看出去,地面會往下彎。於是這就有了一個問題:如果我丟出去的石子足夠快,快到往地上掉的速度和地面往下彎的速度一樣,會發生什麼?
這個問題的答案就是:你得到了一個衛星。而這顆石子要快到什麼程度呢?大約7.9km/s,我們稱其為第一宇宙速度,這個速度是從地球上發射一顆衛星所需要的最小的速度。這是個什麼概念呢?
(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%B4%E9%9B%B7%E7%89%B9M82%E7%8B%99%E6%93%8A%E6%AD%A5%E6%A7%8D)
這是一把巴雷特M107狙擊步槍,作為一把反器材步槍,射出的子彈可以對輕裝甲目標造成毀滅性傷害。這把槍的子彈出膛速度是853m/s。而我們,需要接近這個速度的10倍,7.9km/s=7900m/s,才能讓石頭繞地球轉不掉下來。所以不用回家試了,你做不到的(館長臉)
不過你做不到不代表火箭做不到,作為人類做出的最大號的動力裝置之一,火箭可以把上噸重的物體加速到這個速度。然而,由於底層大氣過於稠密,在地表附近達到這個速度無異於自尋死路,於是火箭通常是垂直發射,儘快拉到一個較高的、空氣比較稀薄的地方,然後朝東拚命加速,最後達到掉不下來的程度。這就是為啥火箭的彈道永遠是先直著飛,後來飛著飛著就橫過來了。等火箭達到設定的位置和速度以後,我們的衛星就可以出來活動了。(經評論區何日上Scott Hor同學指正,這裡我表述有問題,實際上火箭的彈道並不是沿向上→向東的折線飛的,而是一邊向上一邊向東拐彎的曲線)
接著講衛星脫離火箭以後的情況
前面說過,這入了軌的衛星啊,就是一顆靠慣性飛的石子。之所以不會飛出地球飛向M78星雲,是因為有地球的引力,也就是重力拉著,就好像鏈球一樣繞著地球飛。如果衛星處於圓軌道,那麼在較粗略的程度上,我們可以說:衛星受到的重力,數值和方向上和維持衛星繞著地球轉不飛出去的力,是一樣的,也就是通俗說的,重力提供向心力或者說重力等於離心力。(離心力和向心力是針對不同參考系說的,這裡不展開,有興趣可以查閱相關的物理學書籍)。這時候,衛星表現出來的狀態,就好像它沒有受到重力作用一樣。簡而言之,衛星用以對抗重力的,是速度。
然後回到這個微重力衛星上
有很多科學實驗,要求在不受重力的作用下進行,然而由於人類目前的科技水平,無法在一個指定的空間內消除重力,於是我們只能退而求其次,試圖模擬出一個看似不受重力影響的環境。怎麼做,一種很簡單,自由落體,飛機拉升俯衝,可以創造出數十秒的失重狀態,或者你可以去試試跳樓機;另一種比較難,就是把實驗室搬到衛星上去。
前面說了,衛星就是一顆飛行在太空,一直在往下掉,但永遠掉不下來的衛星,它處於的狀態,和自由落體,其實是等價的。於是,為了追求長時間的微重力環境,我們發射了實踐十號。
實踐十號的壽命只有約兩周,做完實驗就掉下來的。這種壽命的衛星連太陽能帆板都可以不要,直接帶個大電池上去,給基本的遙測遙控、姿控執行機構和實驗儀器供電;也不需要過多考慮軌道保持的問題,於是可以只攜帶入軌和離軌的燃料。而帆板和軌道保持用的燃料,可以佔一顆衛星重量的一半左右。所以實際上,如果從載荷承載比(有效載荷重量和衛星自重的比值)來看,說不定實踐十號會更省能源和燃料=w=
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請教下,如果火箭一直豎直飛並且保持動力,那是不是不用達到宇宙速度也可以逃離引力?
可以飛出地球,但能不能逃離引力只看是不是達到當地的逃逸速度,即當地的第二宇宙速度。
說下什麼叫逃離地球引力:不是說衛星不受引力作用了,而是在無外力作用的情況下引力無法把衛星拉回地球,使衛星圍著地球繞圈圈。
這個要從能量的角度解釋,當衛星無動力處於太空的時候,它的機械能分為兩塊,一塊是動能,另一塊是引力勢能。因為沿重力方向運動的時候引力做功,所以通常取無窮遠處引力勢能為零,所以,引力勢能總是負的,當把一個物體從引力場內移到無窮遠處,引力勢能會從一個負值逐漸增加到0。
當衛星在地面發射的時候,衛星的動能為零,勢能為負,總能為負。隨著火箭的不斷加速,衛星的動能逐漸增加,勢能也逐漸增加,忽略其他因素,二者增量之和等於火箭對衛星做的功。
那什麼情況下可以算作逃離地球引力了呢?當衛星的動能和勢能相加大於0的時候。這個時候衛星的速度會達到並超過第二宇宙速度,11.2km/s。
我知道你沒看明白,下面我來說下書裡面通常不會強調的事情:那就是第一宇宙速度和第二宇宙速度都是一個和位置有關的值,我們通常說的7.9km/s,11.2km/s,都是針對地表來說的。
7.9km/s,這是指,在地球表面,衛星不碰地沿圓軌道環繞地球飛行的速度,這個速度精確地等於7.9km/s,如果小於這個數值,會掉到地上;如果大於這個數值,會無法沿圓軌道飛行,軌道會進化成一個橢圓,同時,這個軌道的近地點(同時也是整個軌道速度的最高點)將在地面。如果速度繼續提高,這個橢圓的形狀將越來越扁,但近地點會維持在地面上(假設速度變化是瞬間發生在近地點上)。
當近地點的速度達到11.2km/s的時候,軌道會從橢圓進一步進化為一根拋物線。這時,衛星的動能剛剛好等於引力勢能。由於拋物線軌道是一去不回的,於是衛星將朝著無窮遠處飛行,同時速度會越來越低,當達到無窮遠處,衛星的速度將精確地降到0。
然而這不可能發生,因為實際上不可能達到這麼臨界的狀態,於是我們通常會得到一顆總能大於0的衛星,這顆衛星的軌跡將從拋物線最終進化為雙曲線,當衛星沿雙曲線軌道飛到無窮遠的時候,速度將不會降到0。這裡引申的一個結論就是:如果一個物體在進入某個天體的引力作用範圍的時候有速度,那麼除非一頭撞上,不然這個天體是無法捕獲這個物體的,所以我們登月,在到達月球的時候必須減速,不然就會和月球擦身而過。
為什麼我一直強調地表?因為如果在1000km的高度圍著地球沿圓軌道轉,實際上衛星的速度並沒有達到7.9km/s,這和第一宇宙速度的定義是不矛盾的。前面說了,第一宇宙速度是個跟地點有關的量,在離地1000km的軌道上,第一宇宙速度會降到7.3km/s左右。然而不要忘了,離地1000km的地方勢能會比地表高,如果維持能量不變,將1000km軌道的衛星移動到地表,那麼,它的速度,一定會超過7.9km/s(大約8.4km/s)。這就是為什麼說7.9km/s是發射一顆衛星所需要的最小速度。
所以,如果保持恆定速度豎直朝上飛,火箭的動能維持不變,勢能不斷減小,當二者之和大於零的時候,也就是當地的逃逸速度降低到火箭的速度的時候,就算火箭熄火,地球也拉不回火箭了;反之,如果僅僅是維持動力,以一個極其微小近乎於零的速度挪動的話,就算跑再遠,火箭的總能也無法大於0,一旦熄火,終究會被拉回地球。
SJ-10衛星本身與其他可返回衛星並沒有太大差異,特點以下:
- 任務時間短,15天
- 可回收
- 純化學燃料
- 無太陽能帆
- 無整流罩
- 近地點245.7KM,遠地點278.2KM
- 89.6分鐘環球一周
之所以叫「微重力」的意思就是衛星內部要進行19項微重力下的實驗。
「微重力試驗」用的衛星,不是「微重力衛星」。可憐的漢語,太不精確太容易歧義了。
吐槽一下"微重力"這個名詞 - -
第一眼看到這個詞,還以為是相對於「零重力」的一個概念,意思是"不是完全的零重力,而是稍微有一些重力",比如0.03G~0.07G這樣子。強調的是有一點重力,不是完全沒有重力。
結果發現其實是「非常小乃至於零的重力」,強調的是幾乎沒有重力,或者就是零重力。
吐完槽再看這篇新聞,發現題主你的中心思想歸納的不對啊。
這篇報道的標題「中國首顆微重力科學實驗衛星」,「微重力「這個形容詞,形容的是「科學實驗」,而不是「衛星」啊。這首先是一顆科學實驗衛星,關於什麼的科學實驗呢?那就是關於微重力的科學實驗。
另外,繞地球運轉的衛星都是」微重力衛星「,衛星上都是失重的。如果衛星的G值太大,也就不會好好繞地球運行了。
不用對抗地心引力。看描述感覺和空間站差不多,就是大一點的衛星而已。如果軌道高度偏低,那可能要多花點燃料對抗大氣阻力,維持軌道。
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