东方红一号的设计寿命只有20天,为什么已经过了50年还在太空中?

浏览:717   发布时间: 08月17日

“东方红一号”

“东方红一号”是我们国家自主研制的第一颗人造卫星,并于1970年4月24日在酒泉卫星发射中心发射升空。“东方红一号”与我们国家自主研制的第一颗原子弹(1964年),第一颗装在核弹头导弹(1966年)以及第一颗氢弹(1967年)并成为“两弹一星”。“两弹一星”代表着我们国家国防科技水平达到了世界领先水平的梯队当中,也是确保国土安全的利器。

“东方红一号”的成功发射意味着我们国家成为了继苏联、美国、法国和日本之后第五个能够自主研发并独立发射人造卫星的国家。而且“东方红一号”的技术和质量水平要远超前面提到的四个国家所发射的第一颗人造卫星。因此,“东方红一号”是中国航天技术历史上最重要的里程碑之一。

“东方红一号”的质量是173千克,直径大约是1米,它的主要认为是进行卫星技术实验、探测大气密度和电离层的情况,它绕地球一圈的周期是114分钟。整个任务周期的计划是20天,而实际上花了28天的时间。

那么问题来了,“东方红一号”搭载的是银锌电池,并且当初设定的任务周期仅仅是20天,而如今已经50年过去了,没有燃料的加持下,为什么“东方红一号”还在轨道上绕着地球转,而没有掉下来?

宇宙速度

实际上,在航天领域超期服役的情况屡见不鲜,就拿哈勃望远镜来说,最早的设计使用寿命是5年,结果一用就是30年,最近才要准备正式退役。因此,出现超期服役的情况并没有多么特殊。

而“东方红一号”是绕地球转的人造卫星,它能够长年在轨道上运动,主要和它的发射原理有关。人类航天技术的基础主要是依靠牛顿的万有引力定律。牛顿在17世纪的下半叶,发表了著名的《自然哲学的数学原理》,在这本著作中,他系统地阐述了牛顿三大定律以及万有引力定律。

其中万有引力定律统一了天上和地上的物理学,让我们知道天体的运动和地球表面物体的运动其实是一回事。牛顿还给出了万有引力的表述,他认为引力与物体的质量成正比,与它们之间距离的平方成反比。

根据牛顿的万有引力定律,我们可以推导出从地球发射人造卫星的“宇宙速度”。那如何理解“宇宙速度”呢?

我们从牛顿在《自然哲学的数学原理》中提到“思想实验”来理解这个问题。假设我们有一个理想的大炮,它可以打出任意我们想要炮弹。那么如果此时,我们就拿着一个炮弹,然后原地松手,炮弹是会自由落地,掉到地上。

如果我们这个时候用大炮随意打出一个初速度比较慢的炮弹,炮弹的轨迹就是一条抛物线。

但我们要注意的是,地球实际上是一个球体,地面是向下弯曲的,我们感受不到是因为地球太大了,在很小的尺度上看,大地就好像是平的一样。

因此,如果我们让炮弹的初速度足够快,以至于炮弹下落的变化量恰好和地球向下弯曲的变化量保持一致。此时,炮弹就可以贴着地球表面飞,而不会落到地上。

而此时对应的速度也被称为:第一宇宙速度(或环绕速度)。第一宇宙速度在不同的天体上是不一样的,在地球上是7.9km/s,而火星的第一宇宙速度是3.53km/s。这是因为第一宇宙速度和天体的质量,以及半径有关。

“东方红一号”会掉下来吗?

运载“东方号一号”的长征一号运载火箭要想把“东方红一号”送达预定轨道,就至少需要达到比7.9km/s还要快的速度,而“东方红一号”要想在轨道上运行,也至少需要达到7.9km/s。

当“东方红一号”完成任务时,由于太空相对于地球是十分“空旷”的,接近于真空。因此,“东方红一号”的速度并不会减弱得非常快。因此,它就可以一直保持在太空当中相当长的时间。

由于“东方红一号”的轨道是十分接近地球的,在它所处的位置还是有极其稀薄的地球大气。地球大气会对“东方红一号”产生阻力,但是由于实在太稀薄,阻力相对小,“东方红一号”速度衰减的较慢。但这并不是说不会减弱,只要时间足够长,“东方红一号”的速度总会衰减到第一宇宙速度以下的。这个时候,它就会往地球表面下坠,与地球大气层产生剧烈摩擦,进一步降速,最终掉落到地球表面。只不过需要很长时间,50年还远远不够。

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