衛星是靠什麼飛行的？

第一顆人造衛星於1957年發射升空，由於在較高的空間上可以有更大的視角，來更加直觀和深入地觀測地球表面以及大氣層的變化，人造衛星相對於地球觀測來說具有無法比擬的優勢，因此，自此之後世界各國，對於人造衛星以及保障衛星成功發射的大推力火箭的研發越來越受到重視，用於通訊、氣象、測繪、農業、導航、環保等各種領域的衛星被髮射到了太空，在圍繞地球執行的同時為我們的日常生產生活和科學研究，提供了大量精準的資料。那麼，衛星圍繞地球執行是靠什麼實現的呢？

在18世紀，偉大的物理學家牛頓發現了萬有引力定律，指出任何有質量的物體之間，存在著一種相互吸引的力的作用，這個力的大小，與物體的質量乘積成正比，與物體之間的距離成反比，這個定律無論是微觀領域還是巨集觀層面都是適用的。而牛頓所發現的物體運動的三大定律中，對於物體運動的表述，則將推動物體運動狀態變化歸結於受到外力的作用，使之運動速度發生改變產生一定的加速度，如果對於一個處於勻速圓周運動的物體來說，因此雖然速度的數值沒有發生變化，但是其運動方向是處於不斷變化的，也就是說必然有一個外力推動這個加速度的產生。於是，在牛頓提出萬有引力之後，人們對於天體的執行規律就有了更深入思考的空間，那就是圍繞天體執行的推動力到底是什麼。

雖然牛頓發明了微積分，但是它對於引起圓周運動物體加速度的具體推導，僅限於給出與速度的平方成正比、與運動圓徑徑成反比的表述，從今天看來還不是太具體。Bonnet則根據物體加速度在運動的垂直和曲線切線兩個方向的分量入手，將處於曲線運動的物體加速度，分解為可以在若干等效單獨力場中實現的所有分力場引起的綜合加速度效果，從而確定了物體的移動軌跡也等效於在所有這些力場中可以同時實現的結論，也就是物體最終的速度值，可以表達為：各個分力場中實現如此效果的各等效速度平方和的開平方，即：V=Sqrt（v1^2+v2^2+v3^2+……vn^2）。

那麼，如果對於處於勻速圓周運動的物體來說，物體所受到的各種分力，最終會體現正交分解在切向和法向兩個方向上，那麼，在切向方向上就形成了物體的線速度，而法向方向上則形成了物體向核心“墜落”的拉力，這個拉力的中心永遠指向著圓周的中心。對於一個星體來說，圍繞其作週期性運轉的其它物體，它們之間的萬有引力就充當了這個向心力。

如此一來，根據萬有引力公式和向心力公式，我們很容易推匯出，如果要圍繞一個星體能夠做旋轉運動，則其所需要的線速度的最低極限值，即v=Sqrt(GM/r)。通過這個表示式，我們可以看出，人造衛星之所以可以圍繞地球軌道執行，關鍵在於它擁有一定的線速度，這個線速度可以達到在地球半徑和人造衛星高度這和這個數值下，所能滿足的最低速度極限，此時地球對人造衛星的萬有引力值完全充當了向心力，而在此基礎上我們可以假想出一個離心力，離心力與向心力數值一樣，但方向相反，並且與萬有引力完全平衡，於是人造衛星就可以用這樣的速度“懸浮”於地球的上空。

當然，離心力是不存在的，它只是我們為了解釋這種現象所作出的比較容易理解的方式。那麼，既然萬有引力提供了向心力，產生了向地球質心移動的加速度，也就是相當於產生了自由落體運動，那麼為什麼衛星不會掉下來呢？主要原因在於地球是一個球體。當人造衛星向地球質心墜落的同時，由於其有一個水平的切向速度，其掉落的區域仍然處於地球的表面以外，因此當這個切向速度達到一個限值，即墜落的空間大小和因切向運動所產生的拓展空間大小一致時，則會始終與地球表面的距離相同，實現了繞地球運動的目標。當線速度小於這個限值時，就會以拋物線的形式逐漸墜落到地面；當線速度大於這個限值時，物體就會離地球越來越遠，最終離開地球的引力束縛，這就是從地球的視角出發第一宇宙速度、第二宇宙速度的由來。

人造衛星根據入軌的最終軌道高低，可以分為低軌衛星、中軌衛星和高軌衛星，軌道的高度越低，其所需要的最小環繞極限速度就越大。人造衛星在發射的時候，由於地球的自轉以及衛星通過火箭能量輸入進行變軌等操作，可以很輕鬆地達到圍繞地球執行所需要的切向速度，而且距離地球的高度越高，這個所需要的切向速度就越小，不過所需要火箭助推的能量輸入就越大。而在衛星成功入軌之後，其距離地面越近，所受到的空氣阻力的影響也會越大，因此飛行高度的保持就會越困難，壽命也就越短，因此對於地球同步軌道這樣的高軌區域，是世界各國目前和今後爭奪的重點空間領域。

對於高軌道執行的衛星來說，雖然軌道內的氣體非常稀薄，但並非不存在，因此衛星執行一段時間以後，其線速度也會緩慢地降低，這時候就需要地面科學家們進行變軌的指令，重新降低一定的高度來保障其穩定執行，當衛星上的儀器裝置超出耐受極限或者軌道高度不能滿足任務需求時，衛星就不再具有應用價值成為太空垃圾，在繼續圍繞地球執行一定時間以後，隨著高度的持續降低最終墜落到地球表面，完成它們光輝燦爛的一生。

軌道力學也可能是神祕的，因為對於我們個人來說，沒有簡單的方法去體驗軌道力學。然而，稍加想象，你就能非常容易地理解軌道力學背後的基本思想。

想想當你扔球時會發生什麼。想象一下，你站在一個大球場上，像投球手一樣，儘可能用力扔棒球。球可能會飛30米，然後落地。你把球放在軌道上——只是球的軌道很短！

現在想象你開槍筆直水平，而不是扔球。子彈在屈服於重力撞擊地面之前可能會行進1.6公里。

其實衛星在繞地球飛行的時候，一直在往下掉，一直在做自由落體運動。所以在繞地球飛行的衛星、飛船、空間站上才會失重。之所以衛星最終沒掉到地面上來，是因為地球是圓的。

以下說明中，數字只取個大概：

衛星的橫向速度非常快，達到了7km/s，它每運動7km只需要1秒鐘，而根據自由落體公式，這1秒鐘才下落了9m。因為地球是圓的，衛星橫向移動了7km後，當地的地面也恰巧下降了9m。衛星相對地面的高度剛好保持不變。而且此時的飛行方向、飛行速度使得衛星相對地球的執行狀態和1秒前的狀態幾乎是一模一樣的，於是下一個1秒鐘也同樣是這個結果，於是衛星就永遠掉不到地面上來了。

所以衛星的橫向速度非常重要。如果橫向速度不夠（達不到第一宇宙速度），使得衛星1秒鐘下降9m後，地面只下降了8m，那衛星就相對地面下降了1m了，久而久之衛星就撞到地面了。不會畫圖，自己想象吧。

衛星在被火箭送入軌道之後，其速度達到了脫離地球引力的遞度(16㎞每秒)。在以後的飛行，主要就是靠慣性。由於軌道內阻力幾乎為零，所以會飛行好多年，才會被地球引力拉回地面。

衛星一般都帶有長長的太陽能電池風帆，通過太陽能獲取能量進行改變速度，調整姿態、方向。在沒有太陽能的時候，在太空中考慣性飛行。

衛星圍繞地球飛行的動力正是重力，也就是地球 的引力，就象月球圍著地球轉一個道理，它們都是地球的衛星，不過“人造”衛星是人造出來的而已。變軌是靠衛星上火箭動力。燃料中已經含有液氧，所以不需要空氣，其實火箭發射，也不是靠空氣中的氧氣燃燒，而是液氧，否則它燃燒的動力遠遠不夠

通過11公里時速/每秒，三級火箭推出大氣層到達預定軌道；此時的衛星屬於“失重”狀態，無須動力自動飛行；但地球引力仍然有效，在地球引力的作用下，延地球上方橢圓形，即，軌道7公里速度/秒，向心力自動飛行；但同步衛星需要加速度，顧增加太陽能發動機推進。

衛星靠地球吸引力下墜因為離地表太遠不至於直接下落到地面，所以饒地球轉動，當它下墜勢能快消失時才會快速衝向地面墜毀。

衛星在發射升空直到執行在合適的軌道上期間，是靠液態燃料例如氫的燃燒來提供動力的。在軌道上，則是不需要再消耗能量就可以單純依靠引力去運轉的。

根據愛因斯坦廣義相對論的推理可知，衛星在太空的執行動力主要來自於旋渦慣性引力場的作用。

引力可分為質量相向靜態引力和旋渦定向慣性動態系統引力兩種，牛頓萬有引力F=GmM/R^2主要就是對質量相向靜態引力的描述，愛因斯坦的廣義相對論的時空彎曲的主要依據是F=mv^2/R，這主要是對近似旋渦定向慣性引力系統的描述，動靜結合才是對空間引力場的最好描述。

我們向東方向發射地球人造衛星就是更好地藉助地球自轉的旋渦定向慣性引力的彈弓作用，而有利於衛星的發射與入軌。

衛星平面與地球赤道平面的夾角越小，其軌道就越低，從航天技術而言，低軌衛星比高軌衛星更容易發射成功。因為發射高軌道衛星要更大的初速度。從空間科學來說，九大行星的執行平面與與太陽的赤道交角是很小的，這就是太陽系統旋渦慣性定向引力的例證。

近地面100公里以內的空間引力是垂直地面而指向地心的，距地面200公里以上的空間引力就是弧線的，當然衛星的執行速度如果逐步變慣，它就會向地球墜落；距離地球38萬公里的月球空間的引力場是近似圓形的，而遠離地球38萬公里以外必存在零態引力場，即引力零點；這就是地球旋渦定向引力的描述。