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根本没燃料的东方红一号,在轨运行半个世纪,为何还没坠入地球?

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2020年3月28日,北京天文馆名誉馆长朱进和北京四中天文教师叶楠和国家天文台沙河科普教育基地教师克留一起,拍摄下了我国第一颗卫星东方红过境北京的轨迹。


这颗在1970年4月24日发射的卫星,已经在轨整整51年多,各位应该知道,各国的第一颗卫星大都已经陨落,为什么我国第一颗卫星东方红还能笑傲天际?


东方红一号:西方人疑惑,为什么中国人第一颗卫星能看到?

东方红一号的轨道远地点是2368千米,近地点441千米,轨道倾角是68.44°,这是一条难度很高的轨道,下文我们再解释。但这样的轨道能路径全世界绝大部分人口稠密的城市,更令全世界大跌眼镜的是,中国人的卫星居然能在晨昏线附近看到。


而且最亮时星等可达3.5等,这让大家疑惑不已,毕竟在第一颗卫星的时代,比如美国第一颗卫星才8.22千克,日本第一颗卫星24千克,法国则是42千克,能发个无线电信号听个响就不错了,中国人居然还能看到!


不过天文爱好者很快发现端倪了,他们观测到的高亮东方红一号卫星前面,还有一个比较小的7等星左右的亮斑,大亮斑肉眼可见,小亮斑望远镜轻松可见,哪个才是卫星?一时间大家都有些迷糊。

东方红一号的骚操作:令大家拍案叫绝

其实那个让人看到的并非是东方红一号,而是运送它的三级火箭,因为火箭要将卫星送入轨道,一般分为三级:一级、二级和三级,前两级基本还处在大气层中,分离后很快就会坠毁,而第三级负责将卫星送入轨道,因此和卫星分离时,两者速度相差无几,一次会在卫星后面不远处,跟随很久,而且东方红一号的轨道比较高,这三级火箭很久也不会坠入大气层。


因此我国科学家就想出了一个办法,因为东方红一号就是个直径约1米的正72面体,原本打算覆盖上反光片能让地面看到,但很可惜即使如此也不过7等星亮度,因此主意就打到了3级火箭上,我国科学家在三级火箭与卫星分离后,在三级火箭上设置了一个反光大气球,然后充气膨胀,然后三级火箭顶着这个大气球就能让地面看到了,刚升空时两者距离相差不远,不仅方便全球民众观看,其实也方便追踪,两者相距并不远!


另一个则是东方红一号的重量,居然是苏联、美国、法国、日本的第一颗卫星加起来还要重,很多朋友可能会认为卫星不是越轻越好么?当然控制重量时确实是这样,但卫星质量大表示可以装的仪器设备也多,当时还没有普及太阳能电池,这蓄电池质量大,“待机”时间也更久。


东方红一号除了发射无线电信号外,还有音乐发生器,那个“东方红、太阳升”的音乐就是卫星发送,经过地面站解调后再由广播电台发送的。


原本东方红一号还搭载了大量的科学仪器设备,但后来因为系统工程太过复杂,砍掉了很多功能,但仍然保留了应答机、微波信标,测量姿态的红外地平仪,太阳角度计,卫星自旋速度测量装置,卫星工程参数如仓内温度、压力、各路电源电压的测量装置,以及遥测信号生成的多路复用编码器等


其中最关键的是我国的东方红一号卫星设计在轨寿命是20天,实际工作28天,因此需要一块超大容量的电池,而当时抢先亚洲第一的日本卫星,设计工作时间30小时,结果不到15小时就挂了,而且还真的只有一个无线电信标。


所以第一颗卫星中,中苏两国的卫星还能凑合下算科学试验卫星,其他几家,真的就是个大号玩具,当然这大家也不是看着功能,毕竟都是实验为主,而大家更看重的是火箭的性能。


发射东方红一号的火箭是长征一号,其实就是在东风三号基础上研制的火箭(其实除了日本外,其他国家基本都是导弹改的运载火箭),发射重量大意味着导弹的投送质量大,因此东方红一号173千克的质量让全世界有些傻眼,第一颗卫星,东风导弹改,这几个关键词就足够大家浮想联翩的。


还有一个则是其轨道,我们都知道地球自转有一个每秒463米的速度,因此发射卫星基本都朝着东南方向发射,能获得地球自转的加速,因此大家的第一颗卫星倾角(和赤道平面的夹角)越小越好,酒泉纬度39度,一般发射航天器也就在40~42°左右最省力。


但东方红一号却弄了个68.44°,比前苏联在拜科努尔发射的斯普特尼克1号的倾角65.4°还大,要知道拜科努尔的纬度是45°,中国人的东方红一号挑了一条最难完成的任务,最重,轨道倾角最大,搭载仪器设备最多。

东方红一号:它的在轨时间还能保持多久?

东方红一号的结果我们已经知道了,现在还在天上飞,而且未来还将持续数千年甚至更久,有朋友会认为卫星不应该永远在天上飞吗?但其实不然,卫星存轨时间和多个因素相关:

  • 1、轨道高度
  • 2、太阳活动
  • 3、地球引力

卡门线的高度100千米,但并不是说100千米高度外就是卫星轨道了,因为大气层是从有到无是一个渐变过程,100千米处尽管早已无法供给呼吸,但大气分子仍然有足够的阻力会让卫星过早掉落,一般的卫星轨道都在250-300千米以上,一旦低于250千米,那么很快就会轨道衰减。


比如国际空间站在400千米左右,我国的天宫空间站在390千米左右,这个高度考虑了补给方便度和稀薄大气阻力两个因素,除了低轨侦察卫星外,绝大部分卫星是比国际空间站要高的,因为卫星带着太阳能电池,阻力大,存轨能力更差。


另一个则是太阳活动,大量高能粒子会加热高层大气引起膨胀,原来的“大气圈”范围扩大,比如NASA的天空实验室就是因为太阳活动而提前坠毁,因为NASA原计划是发射航天飞机上去顶一下,结果还没等发射太阳活动爆发了,这个土星五号三级火箭外壳改装的超大空间的空间站就此陨落。


最后一个则是地球引力,因为地球是一个不均匀的天体,所以质量大的地方引力强,反之则小,这样反反复复也会消耗轨道,最终逐渐衰减掉落,只是这个时间要比前两者更久。


东方红一号远地点接近2400千米,几乎就不需要考虑什么大气阻力,近地点在441千米,影响相对比较小,而且东方红一号大部分时间都在椭圆轨道的高轨运行,受到大气影响很小,而且它的近地点高度甚至有点增加,当然远地点会略有下降,但这样会更远离稠密大气,寿命更久。


只是有一点必须要提醒一下,现代卫星和空间站都携带轨道维持燃料,一个是提升轨道,另一个则是定点能力,比如静止卫星如果飘离指定(星下点)就被认为失控,所以需要燃料维持。


毫无意外的是,它的存轨时间甚至能直达未来中国的宇宙大航海时代,尽管它现在是一个太空垃圾,但只要没有被撞毁,也许我们未来某天还真能把它去抓回来做个纪念。

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