首先火箭是用来发射载荷的,完成任务后都会抛弃掉,所以我们一般更关注卫星等航天器绕地球飞行的速度,火箭只有末级会入轨,不过最后还是会坠回大气层,比如最近长征七号二级火箭重返大气。
1.第一宇宙速度
高中物理有提到7.9km/s为第一宇宙速度,也称环绕速度。
所谓第一宇宙速度指航天器或卫星的最小发射速度和最大环绕速度。
7.9km/s这个值是根据万有引力公式和匀速圆周运动公式得出的:
很多人可能以为卫星绕地球的速度就一定是7.9km/s了,这是个错误的想法。
实际上7.9km/s是一个理想值,因为公式中的r用的是地球平均半径,所以7.9km/s是指物体在地面表面(即距地0公里)的环绕速度,很显然现实中这是不可能的,现实中卫星的轨道高度至少要达到200公里。
2.轨道高度与环绕速度和轨道周期
根据公式:
,r为地球半径,h为轨道高度
可知现实中轨道高度越高,环绕速度越小。
所以现实中的环绕速度必然小于7.9km/s,不同的轨道高度有不同的环绕速度。
根据公式:
,r为地球半径,h为轨道高度
可知轨道高度越高,轨道周期越长。
结论:轨道高度越高,环绕速度越小,轨道周期越长。
卫星轨道根据高度通常分为:
200~2000km低地球轨道(LEO)
2000km~35786km中地球轨道(MEO)
35786km地球同步轨道(GSO)
其中位于地球赤道上的地球同步轨道为地球静止轨道(GEO)
这里有一个典型,就是地球同步轨道的轨道周期与地球自传周期相等,都是23h56min4s,所以我们可以以地球同步轨道为界。
(以下假设轨道皆为自西向东方向,自东向西另当别论)
由于地球同步轨道与地球自传速度相同,所以在这个轨道上的卫星会定点于地球的某一经度上。
地球静止轨道上的卫星则会定点于赤道上的某点,相对地面位置永远不变,所以看起来相对地球是静止的。虽然相对地面位置不变,但是由于轨道高度过高,在太空中可能看不到有日出日落。
如果在低于35786km的轨道上,由于其轨道周期小于23h56min4s,其环绕运动角速度一定比地球自传角速度要来得快,所以你会看到你相对于地球向东运动,理论上你会比地球表面更快地经历昼夜更替,但仍然受到轨道高度的影响而会有所不同。
3.轨道上经历昼夜更替的速度有两个影响因素:轨道周期和轨道高度。
a.轨道周期越短,经历昼夜更替的速度越快
通常的航天活动大部分位于近地轨道,近地轨道的轨道周期都很短,所以经历昼夜更替的速度很快。以国际空间站为例,其轨道周期约为一个半小时,就意味着国际空间站上一个昼夜为1小时30分钟左右。
b.轨道高度越高,“白天时间”比“夜晚时间”更长
轨道高度的影响更多的体现在高轨道上。在中高轨上,离地球越远,地球遮挡太阳的时间就越短,这就使得此时“夜晚时间”相对“白天时间”减少了,这一点我不太好表达,建议可以去玩玩坎巴拉太空计划,自己体验一下。
最后放出我用坎巴拉太空计划亲测的不同轨道高度对应的环绕速度和轨道周期表: