东方红1号卫星是我国1970年发射的第一颗人造卫星,至今已经运行了49年。由于当时科技水平所限,东方红一号卫星原本设定的使用寿命是20天, 结果东方红1号卫星在28天之后停止发射信号,正式结束工作寿命。
但东方红1号至今仍在卫星的轨道上运行着,这一切是为什么呢?
牛顿万有引力
在了解东方红1号为什么没有落回地球之前,咱们先了解一下人造卫星是怎么运行的。
1687年牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》一书中,对引力做出的解释是:任何两个物体之间,都有相互吸引力。
而引力的大小,和物体的质量成正比,和距离的平方成反比。
也就是说:两个物体靠的越近,它们之间的引力就越大,苹果之所以熟透了会落向地面上,不会飞到天空中,其实就是因为苹果树和地球的距离很近,苹果无法摆脱地球的引力。如果一个苹果想要摆脱地球的引力,需要外界给它施加额外的力。
牛顿曾经描述过一个思想实验,在一座高山上,我们有一座威力无比大的大炮,用它来发射一枚炮弹。
假设大炮施加给炮弹的速度很小,那么这枚炮弹会呈抛物线的轨迹重新落在地球上。
假如大炮施加给炮打的速度足够快,那么这枚炮弹可能就不会再落回到地球上,这是因为地球是一个圆体,炮弹每下落100米,地球的曲面也下落100米,因此这么炮弹就可以围绕着地球转个不停,永远不会落下来。(不考虑大气作用)
人们把这个速度,叫做宇宙第一速度,根据复杂的公式计算地球的宇宙第一速度是7.9km/s,当物体速度达到7.9km/s时,物体即可离开地球表面,围绕地球运动。
东方红一号卫星,就是利用这个原理,进入到太空当中的。
东方红1号为什么没有落下来?
根据牛顿万有引力,我们知道, 物体想要离开地球表面,需要保持着每秒7.9km/s,但东方红一号在能量耗尽时,几乎不可能保持如此高速,为什么还没有坠入地球表面呢?
其实,这是因为接近于真空的环境。
我们知道,车子在没有踩油门时会慢慢减速,是因为车子和地面有摩擦力。但是东方红一号所处的环境只有非常稀薄的大气,几乎没有摩擦力,因此东方红1号卫星即使能量耗尽,仍能在相当长的时间内保持一定的速度,围绕着地球运转。
其实,即使东方红1号在太空中保持不动 ,东方红1号也不会在短时间内掉下来。(不过,要强调一句,它并不是保持不动,而是在轨道上运行着。)
这是因为东方红1号仍然在地球的引力范围,只不过由于距离较远,因此受到的引力非常小,所以东方红1号在缓慢地靠近地球,时间以几千年,几万年,甚至几十万年来计算。
东方红1号如果掉下来了,该怎么办?
东方红1号其实是一定会掉下来,只不过还需要一些时间。很多人担心东方红1号掉下来了会不会砸到人,其实这一点,科学家已经考虑过。
首先,大多数人造卫星在返回地球时,会在大气层内与空气发生摩擦,摩擦产生的高温会导致人造卫星自燃,大多数较小的卫星以及卫星碎片会在大气层中燃烧殆尽。
在大气层中没有燃烧殆尽的残骸,会坠落到地球表面,威力其实和陨石相同,只不过地球70%的面积是海洋,还有相当多的面积是无人区,因此大概率不会砸到人。但并不能排除一定不会砸到人,如果它的坠落地点刚好是一个人口密集的城市,那么很有可能会威胁到人类生命安全,不过由于大多数国家发射的人造卫星质量较小,因此不会像小行星撞地球一样,产生较大的威力。
其实,人造卫星在使用寿命到达终点时,对人类威胁最大的不是掉下来的问题,而是这些太空垃圾包裹着地球,对正常运行的卫星产生了严重的干扰和破坏。
2005年时,宇宙上空曾发射过一起与中欧交通事故,一块31年前,美国火箭推进器的遗弃物,与中国的长征四号火箭的CZ-4碎片相撞,这是典型的太空垃圾破坏案。
更严重的是,太空垃圾并不会自动消失,反而每次与其他太空垃圾相撞时,会产生更多的碎片,而这些碎片,也会对正常运行的人造卫星产生严重的后果。
也就是说,太空垃圾不会自己减少,而是会无止境地增加,正是因为如此,各国目前都在研究如何清理、回收太空垃圾。