东方红1号仍在天上飞,能否用天宫空间站的机械臂,把它带回来?



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东方红1号卫星 , 是我国于1970年4月24日发射的第一颗卫星 , 当时正处于美苏争霸的白热化时期 , 两个国家在诸多领域包括太空探索上都展开了激烈的竞争 , 谁在某个方面占据了上风 , 那么就会在国际大舞台上的话语权和权威性都提高一分 。 在两个国家相互竞争的影响下 , 世界上很多国家也相继开展航空航天领域的科技攻关和实践探索 , 我国自然也不例外 。

那个时期 , 正是我国经济复苏的关键期 , 正需要一些重大事件来提气 。 我国的科学家们夜以继日 , 奋发图强 , 自主研发和建造了我国第一颗卫星 , 并以“东方红1号”加以命名 , 向全世界展示了我国冉冉升起的东方大国形象 。 4月24日 , 随着长征一号运载火箭徐徐升空 , 将这颗重达173公斤、比其他很多国家发射的第一颗卫星都要重的“巨无霸”卫星送上了近地轨道 , 标志着我国成为继前苏联、美国、法国和日本之后 , 第5个能够掌握卫星的独立研发和发射的国家 , 并且为之后我国航空航天事业的迅速发展 , 打下了坚实的基础 , 提供了丰富的经验 。

“东方红1号”属于一颗实验性质的通讯卫星 , 卫星本身采用72面体设计 , 直径在1米左右 , 总重量173公斤 。 在运行时的姿态调整方式为自旋模式 , 转一圈的时间仅为0.5秒左右 , 卫星携带的主要仪器 , 主要包括供测量之用的太阳角计、供稳定姿态之用的红外地平仪 , 另外 , 卫星还携带了音乐播放设备 , 持续着播放“东方红”乐曲 。 由于卫星所携带的电池电量 , 仅能供其正常工作20天左右 , 所以该卫星在实际运行28天之后电池电量耗尽 , 与地面彻底失去了信号联系 , 也无法再播放“东方红”歌曲了 。

那么 , 为什么50多年过去了 , “东方红1号”卫星没有像其他很多卫星在“退役”后 , 坠入大气层而被焚毁呢?这与卫星在近地轨道内的运行速度有直接关系 。 伟大的物理学家牛顿在提出万有引力之时 , 曾经做过一个思想实验 , 即在地面上的一处高地上架起一门大炮 , 沿着水平面方向射出炮弹 , 如果炮弹的速度越快 , 那么炮弹落到地面上的点距离发射点就会越远 。 当炮弹的初始速度达到一定程度 , 那么炮弹因引力而下坠的趋势 , 就会与地球表面的曲率相“平行” , 虽然炮弹一直在坠落 , 但永远也落不到地面上 。 这个时候的炮弹水平速度临界值 , 就是后来的地球表面的第一宇宙速度 。

按照万有引力充当物体围绕地球运行的向心力之间的关系 , 我们可以轻松地计算出 , 在地球表面的第一宇宙速度 , 即最低环绕运行速度V=√(GM/R) , 其中G为万有引力常数 , M为地球质量 , R为物体与地心的距离 。 从这个公式可以看出 , 物体能够实现环绕地球飞行的最低极限速度 , 仅与和地心的距离有关 , 与物体的质量大小没有关系 。 理论上 , 物体距离地球表面越近 , 那么这个最低环绕速度就会越大 , 反之就越小 。 而物体能够环绕地球运行的第一宇宙速度 , 即理论上贴在地球表面飞行的最小值 , 为7.9公里/秒 。

然而 , 在现实中 , 要想以7.9公里/秒的速度沿着地球表面飞行而不落下来 , 是不可能的 , 因为越是靠近地表 , 地球的大气层密度就越大 , 物体在以如此高的速度飞行时 , 所受到的空气阻力是非常明显的 , 所以发射的卫星 , 在距离地表越近 , 则所需的环绕速度值就越大 。 而随着高度的增加 , 由于空气变得越来越稀薄 , 阻力效应就会越来越弱 , 进一步拉低了环绕速度的数值 。

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