科学|既然太空没有阻力，为什么卫星入轨后还要消耗燃油，继续加速？
我们都知道假如飞机要环球航行的话 ， 需要不断加油 ， 因为没有飞机的燃油可以支持环绕地球一圈！也知道人造卫星进入轨道后就不再需要加油 ， 比如东方红一号 ， 飞了半个世纪还在轨道上笑傲江湖！
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【科学|既然太空没有阻力，为什么卫星入轨后还要消耗燃油，继续加速？】
但我们经常听到国际空间站要加注燃料 ， 经常进行轨道抬升 ， 而很多通信卫星也需要燃料维持轨道 ， 这又是为什么呢？
卫星进入近地轨道的速度
飞机时凭借空气动力 ， 让机翼产生的升力拖住机身才得以让飞机不会掉到地面上 ， 随之而来的代价是空气的阻力和对抗阻力产生的燃油消耗 ， 因此飞机上到处都是油箱 ， 比如客机和战斗最大的油箱就在机翼中！
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飞机上的油箱
卫星飞行的原理和飞机有些不一样 ， 它利用的高速环绕地球轨道的“离心力”和引力对抗 ， 两者相等的时候就能让卫星一直保持在轨道上 ， 当然这个轨道一定要远离大气层 ， 避免空气阻力让它逐渐减速最后坠入地球 。
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这个卫星飞行的原理 ， 牛顿在1687年发表《自然科学的哲学原理》随着万有引力定律一起发表了 ， 当时牛顿也就是做个思想实验 ， 因为地球就是一个大球体么 ， 只要在它表面高速跑动就是圆周运动了 ， 足够快就能产生足够的“离心力”对抗引力 。
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根据万有引力和环绕运动的“离心力”公式 ， 代入相关数据 ， 可以计算出地球表面的环绕速度大约是7.9千米/秒 ， 当然地表大气稠密 ， 需要到300千米以上 ， 到那个高度时 ， 这个速度就会减小为7.8千米/秒左右！
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第二宇宙速度和第三宇宙速度
假如要飞离地球到达月球 ， 那么不只是需要环绕速度 ， 而需要一个逃逸速度！要理解逃逸速度也挺简单 ， 标准的环绕速度是一个正圆形 ， 只要在这个正圆形轨道上持续加速 ， 那么它跑出一个开始加速点为近地点的椭圆轨道 ， 再加速则会变成大椭圆轨道 ， 继续加速则会变成抛物线轨道甚至双曲线轨道 ， 当这个椭圆不再闭合时的速度 ， 就是逃逸速度 ， 也就是地球的第二宇宙速度！
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准确的说飞向月球并不需要真正的逃逸速度 ， 它只需要一个远地点距离达到38万千米的大椭圆轨道即可 ， 比如很多火箭推力不够的月球探测器就是利用星载发动机 ， 慢慢将轨道拉到越来越椭圆 ， 一直到远地点够着月球！但这个速度已经和逃逸速度相差无几了 ， 所以如果有人告诉你去月球需要第二宇宙速度 ， 其实也没错！
第三宇宙速度
其实准确的说 ， 根本不存在什么第三宇宙速度 ， 整个宇宙都只需要第二宇宙速度即可！因为有了逃逸速度就可以逃出任何天体的束缚了！但在行星绕行恒星的这种模式下逃离恒星系时则会存在一个第三宇宙速度！
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即：地球逃逸速度和地球轨道上太阳的逃逸速度平方和开根号
因为它不但需要逃离行星引力的束缚 ， 同时它也在绕行恒星公转 ， 必须要叠加一个在当前行星轨道上逃离恒星的速度 ， 两者叠加将会计算出一个第三宇宙速度 ， 一旦探测器达到这个速速 ， 那么它将飞离恒星系 ， 比如旅行者系列就已经达到了这个速度 ， 它们的轨道不再闭合 ， 永远都不会再回到太阳系！
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为什么国际空间站和通信卫星需要经常点火维持轨道
从上文中我们可以知道 ， 从原理上分析 ， 如果探测器或者卫星不再折腾 ， 比如它并不想逃离地球或者太阳系 ， 那么它将无需任何燃料 ， 持续的在轨道上运行！但事实上决定一颗卫星命运的不只是电源 ， 还有它所装载的燃料！
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ESA的GOCE卫星轨道只有250千米 ， 上图是它的流线型设计和离子发动机
轨道维持与姿态控制
对于空间站而言 ， 轨道维持是对它维护中一项成本非常高的支出 ， 因为国际空间站的轨道大约是400多千米的正圆形轨道 ， 在这个位置仍然在大气层的逸散层范围内 ， 稀薄大气分子会对庞大的桁架式结构产生很大的阻力 ， 而且为提供电能 ， 国际空间站还有超大面积的太阳能电池！
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因此在这种微弱阻力的作用下 ， 国际空间站轨道衰减非常快 ， 除此以外 ， 太阳活动的带电粒子还经常扰动地球磁气圈 ， 会让大气层的逸散层大气分子密度出现大幅变化 ， 因此太阳活动造成的影响也非常大！
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最近一年国际空间站高度调整记录
双重作用下 ， 国际空间站每个月轨道衰减大约是2千米 ， 因此每隔一段时间就需要调整一次轨道 ， 当然轨道调整是需要用燃料的 ， 国际空间站使用的是常温肼基燃料 ， 每年因为轨道调整消耗掉超过4吨燃料！据说每千克物资送到近地轨道都需要上万美元 ， 这燃料费用一年就得4000万美元！
为什么轨道不高点？
确实轨道高一些就不再受到大气层的困扰 ， 但会存在两个问题 ， 太高会受到范艾伦辐射带影响 ， 辐射增加 ， 那么比400千米稍高点 ， 比如800千米（内范艾伦辐射带1500千米以上） ， 避开了辐射带 ， 大气层影响又降低 ， 但又会有个补给飞船的难度增加的问题 ， 所以国际空间站的轨道高度是一个妥协的结果！
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国际空间站轨道数据
定位维持
国际空间站有轨道衰减的问题 ， 但在地球静止轨道上的卫星却没有这个头痛的问题 ， 那里已经无需考虑大气层阻力的问题 ， 理论上一个物体即使不用任何燃料 ， 它也能在这个轨道上保持百万年之久！但作为静止轨道上的卫星 ， 它仍然需要燃料维持！
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卫星此处的速度为3.07千米/秒 ， 但静止轨道上的卫星在地面看来都静止不动的 ， 所以上面的每一颗卫星都有“固定”的位置 ， 因此必须要保证卫星不能跑远！但静止卫星在轨道上会因重力梯度不均匀以及太阳风的影响 ， 逐渐偏离正确的位置 ， 因此星载燃料就是让卫星回到原来位置！
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早期卫星也会用燃料维持姿态 ， 现代卫星和探测器大都用动量轮来维持 ， 但动量轮失败时也会用姿态发动机辅助 ， 比如日本探测丝川小行星的隼鸟号探测器就干过这样的事！当然这并非所有卫星都具备这种功能 ， 比如早期的东方红一号 ， 上面就根本没有发动机和姿态维持的动量轮 ， 当时使用的是自旋稳定 ， 东方红一号的自转速度是120rpm/min ， 也就是每秒2圈 ， 它用的也是全向天线 ， 所以不存在指向性问题 。
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离子发动机
到了后期 ， 离子发动机成熟应用到了卫星上 ， 这种发动机原理挺简单 ， 即将介质电离 ， 然后在电场下将带电粒子向后方加速排出 ， 实现超前的推力 ， 离子发动机只需要电能和少量的燃料 ， 一般都是氙 ， 也有汞离子发动机（早期） ， 其实现在又有将汞离子发动机捡起来的味道 ， 因为汞密度大 ， 而且汞离子质量也大 ， 消耗更低（只是有毒） ， 而近地轨道上电能并不是问题！
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因此未来的卫星轨道维持发动机都会朝离子化发展 ， 而正在展开的行星际载人航行 ， 也有望使用上离子发动机 ， 它应该是人类走遍太阳系的有力支撑！
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