首先人造衛星需要入軌，人造衛星繞地球執行的軌道包括低軌道、中高軌道、地球同步軌道、大橢圓軌道、極地軌道等等，人造衛星想要離開地球、進入太空，入軌飛行，需要藉助運載火箭的動力克服地球引力的作用，速度至少大於第一宇宙速度。人造衛星在軌道上執行時，多數情況下都是處於慣性飛行狀態，也就是人造衛星在地球引力的作用下進行無動力飛行。人造衛星與太空梭、空間站等航天器相比，通常體積更小一些，不可能在星上安裝大推力火箭發動機。因此，發射衛星時，需要透過運載火箭增大衛星提供所需動力，達到擺脫地球引力所需的速度，衛星進入軌道轉入正常執行後，就不需要動力裝置驅動衛星飛行，但這並不意味著人造衛星完全不要動力。

人造衛星在軌道執行會受到各種因素的影響，會使人造衛星實際執行的軌道慢慢的偏離預定軌道，或者在入軌時與預定的執行軌道有一定的偏差，那麼在在這種情況下呢，需要對人造衛星的軌道引數進行微調。同時，衛星的功能的不同，有時在衛星處於軌道執行的情況下，對姿態進行必要的調整與控制，這些操作都是都需要相應的動力，這裡就要用到衛星上的動力系統，不過呢，進行調整和控制所需的動力要遠遠小於將衛星發射入軌所需的動力，衛星上的這種動力系統稱為微推進系統，可細分為物理推進、化學推進和電推進系統。

人造衛星發射出去基本就靠慣性執行，由於軌道為橢圓形，不斷地進行著重力勢能和衛星動能的轉換，得以維持超過地球第一宇宙速度的飛行速度，可以長時間繞地執行。

衛星能夠繞地球執行利用的是牛頓定律，當衛星在大氣層的一定高度（一般超過100多公里，大氣阻力就相當小了，衛星可以在空中長時間執行），只要衛星的速度足夠（至少達到第一宇宙速度），就能避免被地球引力束縛在地面上而靠著慣性在空中長時間執行，衛星初速度的獲得是靠火箭，發射完成衛星入軌後，其軌道一般都是橢圓形，橢圓形的軌道距地球引力中心有近又遠，近地點時衛星執行速度很快，而遠地點時高度增加了執行速率降低了，相當於衛星的動能和地球重力勢能之間的轉換。不過這種過程不再需要提供額外的動力，而是靠著慣性進行，多數衛星的高度都超過200公里，大氣阻力就小的基本不受影響了，極其稀薄的大氣對衛星的執行影響是極其緩慢的，需要很長時間才能讓衛星的速度衰減到第一宇宙速度之下，若發生了那樣的情況，衛星就會墜落地球。

在衛星中也有一些比較特殊的，比如地球同步衛星，其軌道接近圓形，圍繞地球公轉的週期和地球自轉週期相當，所以相對於地面同步衛星的位置基本上是不變的，主要是靠火箭獲得的初速度，加上軌道很高，距地面3.5萬公里，大氣阻力可以忽略不計，火箭提供的初始動能可以相當長時間地儲存；還有一類特殊用途的衛星，攜帶有一些燃料，在軌道上可以人為操控變軌，以進行一些特殊的任務，點火後速度提升其距離軌道高度會上升，軌道的偏心率等資料也會改變，降低速度則傾向於向地面墜落，同樣地軌道的各引數也會變化。中國1971年發射的東方紅一號衛星，近地點距離地面400公里左右，遠地點距離地面2000多公里，雖然在發射21天后就失去了聯絡，但是現在依然在太空執行，軌道略有降低，近地點已經突破了400公里，最終可能在數百年內墜落地面。

目前的衛星更多的還是以慣性運動為主，設計使用壽命一般遠遠小於其能在太空中執行的時間，所以現在太空垃圾在不斷增多，隨著科技的發展，人類有能力送攜帶燃料更多的衛星進入太空，甚至可能有太空維修站、“加油站”。其實現在的國際空間站每年都需要送燃料上去調控軌道，要不然早就墜毀了主要是面積大質量分佈又不均勻，受地球引力影響高度不斷降低。

在衛星從地面到預定軌道高度這一階段，衛星由運載火箭提供動力到達預定的軌道。在變軌階段，衛星的動力來自推進器，根據牛頓的萬有引力定律我們知道衛星可以藉助萬有引力在恆定的軌道上運動而不消耗其他能量，同時衛星在太空中可藉助太陽能為衛星提供一定的能源。

每臺機器都需要能量才能運轉，衛星也不例外。衛星需要電能，以向地球提供重要天氣、氣候和海洋資料的目的服務。 然而，在太空中斷電比在地面上要棘手。那麼，一旦衛星發射，是什麼讓衛星保持執行呢？

來自太陽的能量

太陽是衛星的主要能源，這就是為什麼所有衛星都安裝了太陽能電池板陣列。每個陣列包含數千個由矽製成的小型太陽能電池，這種材料允許Sunny轉化為電流。

圖注：帶太陽能電池板陣列的美國傑森（Jason） 衛星

正如您在傑森衛星上看到的（上圖），太陽能電池陣列相當大，而且必須很大，因為只有20%的來自太陽的光實際上被轉換成電。每個陣列產生 4kW 的功率，這大約是 2 個電水壺的電源！ 即使太陽能電池陣列是旋轉的，並且總是指向太陽，有時衛星必須透過日食執行，這意味著沒有Sunny來提供能量。

為了讓衛星在這樣的時代執行，他們配備了電池。第二代地球靜止氣象衛星和極軌Metop衛星各有5個電池。

燃燒燃料來移動衛星

更重要的是，為了保持衛星的軌道，它必須不時地移動。這些移動稱為機動，由任務控制中心指揮。一旦指令到達衛星，透過發射稱為推進器的小型反應馬達進行機動。

圖注：推進器燃燒燃料推動衛星

為推進器提高能量的燃料為肼燃料，這是一種毒性極強的易燃物質，甚至可以自行點燃。 Metop衛星的燃料裝有300公斤的燃料，足以維持軌道長達10年。在飛行任務期間，一些燃料必須用來補償大氣阻力，但大多數燃料用於維持穩定受月球影響的軌道的傾角。這就要求旅行方向每年調整幾毫度。儘管方向的變化非常小，但這些機動操作可能需要高達 20 公斤的燃料，因為 Metop 衛星的行駛速度如此之快 ， 大約 8.5 km/s！

避免空間碰撞

在某些情況下，必須移動衛星以避免與空間碎片相撞。太空碎片包括從螺絲和螺栓到航天器大塊的所有東西。對於在低地球軌道執行的Metop衛星來說，這種風險是最高的，大部分的空間碎片位於820公里左右的地方。圖注：太空碎片垃圾

目前，大約有2萬個大於10釐米的太空垃圾被雷達跟蹤，但由於碎片的速度，即使來自更常見的小塊碎片撞擊，也可能對Metop造成嚴重損壞甚至破壞。

簡而言之，衛星的動力三個方面：

來自機動用的燃料維持日常活動的太陽能電池，這些電池在太Sunny線不可用時提供電力。

人造衛星——閃亮的人造星星

當我們抬頭仰望天空，蒼穹中若隱若現的無數顆人造衛星，見證了人類科技的發展和社會變革，它們是人類智慧的結晶和見證。通過了幾代人的努力，在太空中有成千上萬顆人造衛星，它們在天體引力的安排下，有規律的在太空中飛行。

人造衛星可分為三類：科學衛星、技術實驗衛星和應用衛星。它們肩負著空間探測、宇宙探索、天文觀測、氣象觀測等任務，為我們更加深入的瞭解地球，瞭解宇宙提供了大量資料。

而如此多的人造衛星，要想按照人類的指令完成任務，僅僅依靠引力是萬萬不能的，還需要它們自己的能力——推力，這樣才能在太空中飛得更快更久遠。

航天推進系統——讓人造衛星走的更快更久遠

三百多年前，四十多歲的牛頓坐在一棵蘋果樹下，突然之間，“人類歷史上三大蘋果”中的其中一棵蘋果砸中了他的腦袋，他為此並不是很生氣，一個偉大科學家所擁有的理智和嚴密的羅輯思維“鞭策”他去思考一個問題：為什麼蘋果會往下落而不是往上落？

經過長期的思考及論證，牛頓發現了萬有引力定律，並在1687年出版的《自然哲學的科學原理》一書中首先將這個“掌控”著宇宙執行秘密的偉大定理提出來。

牛頓在思考萬有引力定律時曾想過一個問題：

從高山上以不同的速度丟擲物體，速度一次次一次大，落地點也就一次比一次離山腳遠，如果沒有空氣阻力，當速度足夠大時，物體就不會落到地面上。

很顯然，沒有一個人有如此大的神力做到丟擲一個物體而不落到地面上，但在人類的智慧與科學發展的共同推動下，人類（蘇聯人）終於在1957年10月4日將一個物體——人造衛星發射升空並且沒有落到地面上。

這個人造衛星和所有衛星別無兩樣，都是用大推力火箭發動機發射到太空中的，而火箭屬於航天推進系統。

航天器推進系統是利用自身攜帶的工質，依靠反作用原理為航天器提供推力或力矩的整套裝置，它能夠在大氣層外真空中條件下工作，使航天器達到所需要的速度和飛行姿態。

相對於現在發射的人造衛星，人類第一顆人造衛星在發射升空後由於沒有推進系統，無法對其進行變軌、加速等一系列執行控制。由於其所在高度仍然存在少量空氣，有一定空氣阻力，飛行速度回逐漸變慢，並最終墜入大氣層。

人類發射人造衛星肯定不能白白的看它們最終都墜入大氣層，因此需要對其進行變軌加速控制；而且它們肩負著重任，需要完成一系列科學探測任務，有的甚至需要飛向遙遠的宇宙深處，因此它們都需要攜帶航天推進系統（小推力火箭發動機）。

常用的小推力火箭發動機有：化學火箭發動機、太陽能火箭發動機、核火箭發動機等。它們向後方噴出高速氣體，產生推力，為人造衛星提供動力，以支援它們飛得更快、更遠、更久。

動量守恆定律——火箭發動機的作用原理

每個物體都具有動量，簡單來說動量P＝質量m×速度v

動量守恆定律與能量守恆定律和角動量守恆定律被稱為線代物理學中三大基本守恆定律。

而且動量守恆定律是自然界中最普遍、最基本的定律之一，不僅適用於宏觀低速物體，也適用於微觀高速物體，從宇宙天體到微觀粒子，都遵循著動量守恆定律。

由動量守恆定律可知：對於一個不受外力作用或者合外力等於零的系統，其系統總動量不變，系統的內力僅能改變系統內物體的動量，系統總動量並不改變。

舉一個比較簡單的動量守恆模型——人船模型

一艘質量為M的船靜止不動的漂浮在水面之上，一個質量為m的人站在船上，從船頭走到船尾，如果不計水的阻力，則整個過程人和船相對於水面的運動情況是怎樣的？

分析：在“人船模型”中，人和船組成一個系統，所受合外力為零，系統總動量保持不變，但人和船相互獨立，能各自運動；人和船原本相對於水面的速度都為零，系統總動量也為零，現在，人在船上走，人相對水面的速度不為零，因為系統總動量為零，所以船會向人走動方向相反的方向運動。

解：設人走動的速度為v，船運動的速度為u，則由動量守恆定律，得

人在船上走動時的任意時刻，人和船的速度都滿足上述關係，所以根據m、M、v可以計算得出船的速度u

再舉個例子：冬天到了有些地方地面已經結冰，這時，小明和小美兩人面對面蹲在地上，這時，小明用手稍微向前推了一下小美，請問小明會怎樣 ？靜止不動還是向後運動 ？

沒錯，是向後運動。

因為在這個例子中，可以小明和小美看做是一個系統，系統動量守恆，且開始時為0。

航天器飛行原理詳解

現在，我相信大家已經對動量守恆定律有了簡單的瞭解，那麼我們回到人造衛星的發射及運動上。

▼下面是火箭發射過程的動量守恆圖解

由此可見，火箭的發射過程依靠的也是動量守恆定律，並不如有些人認為的“火箭發動機噴出高速氣流作用於空氣，產生作用力和反作用力，使火箭升空”。

相反，空氣的存在不僅不會幫助到火箭發射，還會產生空氣阻力，極大的阻礙火箭的發射和加速，耗費燃料。

在空氣阻力這一點上，人造衛星有著先天優勢，因為在太空中，空氣稀薄，甚至在外太空為超真空環境，幾乎不存在空氣阻力，這十分有利於人造衛星的變軌、加速等。

無論是化學火箭發動機、太陽能火箭發動機，還是核火箭發動機、等離子火箭發動機，都需要攜帶工作介質，比如說氫、氦、鋰等，它們最終都會以氣體或等離子體的形式被高速噴出，提供推力。

我們知道，要想使氣體噴出，需要能量，而且所需能量大小與氣體噴出速度有關，速度越大，所需能量越大。

就拿我們人來舉例子：我們的生活離不開呼吸，而我們的呼氣和吸氣是需要能量的，這些能量由人體提供。

在正常情況下，呼吸並不會是我們感覺到累，因為氣體吸入和撥出的速度較小，需要的能量也就小，但如果我們快速的呼吸，比如吹一個氣球，不一會兒就會感覺到疲憊，因為在這個過程中，耗費的能量多。

▲一種電火箭發動機，工作介質為銫

對於電火箭發動機而言，其能量和工作介質是分開的。電火箭發動機的能量有很多種，包括太陽能、核能，這些能量經由電能轉換裝置（發電機）轉換成電能，然後用電能加熱、加速工作介質產生高速氣流噴出從而產生推力。

核熱火箭是利用核裂變的熱能將工質加熱到很高的溫度，然後透過收縮擴張噴管加速到超音流而產生推力的火箭發動機系統。其工作原理與液體火箭發動機相似，所不同的是核熱火箭用核反應堆取代了液體火箭中的化學燃燒。

下圖為核熱火箭的原理示意圖

被世界公認為“宇航之父”的俄國科學家齊奧爾科夫斯基曾提出過一個公式，這個公式被後人稱為齊奧爾科夫斯基公式：

齊奧爾科夫斯基公式由動量守恆定律出發，經過積分運算得出，簡明扼要的表示了航天器速度的增量與氣體噴出速度之間的關係。

由於人造衛星本身的限制，無法攜帶大量液態或固態的工作介質，它們的火箭發動機單位時間內噴出的氣體質量較小，因此產生的推力也相對較小，無法與大推力火箭發動機相媲美。

抬頭望向天空，無數的星星在閃耀，還有無數的衛星在運轉，這些衛星都是沒有光的星星。

人造衛星是在稠密大氣層外按天體力學原理繞地球執行的空間飛行器，是當前在國民經濟、科學研究和國防軍事方面用途十分廣泛、發展最為迅速的航天器。

人造衛星繞地球執行的軌道包括低軌道、中高軌道、地球同步軌道、大橢圓軌道、極地軌道等，軌道高度從百餘千米以上至數萬千米不等。人造衛星若要想穿越大氣層、進入到太空，需要藉助運載火箭的動力克服地球引力的作用，速度至少大於第一宇宙速度（第一宇宙速度：物體在地面附近繞地球做勻速圓周運動的速度；別稱：航天器最小發射速度、航天器最大執行速度、環繞速度。三大宇宙速度在高中物理上都會講到的），才能進入上述執行軌道。

三大宇宙速度示意圖

人造衛星在軌道上執行時，多數情況下都是處於慣性飛行狀態，也即是人造衛星在地球引力的作用下進行無動力飛行。人造衛星與太空梭、空間站等航天器相比，通常體積更小一些，不可能在衛星上安裝大推力火箭發動機。因此，發射衛星時，需要透過運載火箭增大衛星提供所需動力，達到擺脫地球引力所需的速度，衛星進入軌道轉入正常執行後，就不需要動力裝置驅動衛星飛行，但這並不意味著人造衛星上就完全沒有動力系統。

人造衛星在軌道執行時仍然會受到某些環境因素（例如其他的星球如月球引力）的影響，使人造衛星實際執行的軌道逐漸偏離預定軌道，或者進入軌道時與預定軌道有一定的偏差。在這種情況下，需要對人造衛星的軌道引數進行調整。

同時，從完成遙感、通訊和軍事任務的角度出發，也需要在衛星處於軌道執行的情況下，對其姿態進行適當的調整與控制，以達成測繪和拍照的目的，需要對人造衛星的軌道和姿態進行調整和控制，都需要相應的動力，而這些動力均來自於衛星上的動力系統，只不過進行調整和控制所需的動力遠小於將衛星發射入軌所需的動力，衛星上的這種動力系統稱為微推進系統，可細分為物理推進、化學推進和電推進系統。

第一顆人造衛星是在1957年10月4號，由蘇聯所發射的。美國的第一顆衛星是1958年1月31號發射升空，重量約為13公斤。當然，人類把這些人造衛星發射到太空肯定需要這些人造衛星執行某項任務，或者完成某項動作

。那完成這些任務和這些動作就需要外部的能源給他提供動力。一般情況下，人造衛星的動力來源，也就是說它的能量來源是太陽能電池板。太陽能電池顧名思義就是吸收太Sunny的能量，轉化為驅動人造衛星正常運轉的動力。如果人造衛星遠離太陽，太陽的輻射無法在太陽能電池板上感應出電流，那麼人造衛星也無法取得能源和動力。這時候就會用上核動力，利用核反應所產生的熱量來給人造衛星提供動能。

其實人造衛星還有另外一種能源，那就是引力。現在所發射的遠航衛星探測衛星利用的就是引力協航。現在的遠航探測衛星都是先飛往太陽方向，利用金星的公轉與太陽的自轉做一次拋射然後環繞太陽，再回地球，再利用地球的公轉拋射。這樣可以獲取免費的動力和加速度，而且一次比一次更快。例如木星計劃中的伽利略衛星往返太陽和地球兩次，然後飛往木星。如果想要去到比木星更遠的地方，那就需要利用木星再做一次協拋這樣的話，速度會更快，而且會航行得更遠。如果不利用這種引力協拋原理的話，人造衛星想要去更遠的外太空探索，自身需要攜帶大量的燃料，而且速度也將會非常緩慢。在的人造衛星都是綜合使用幾種動力。尤其對於遠航探測衛星來說，引力協拋助力是一種免費的，而且有效的動力來源。

人造衛星是依靠火箭推動器才能進入到近地軌道上的情況，當人造衛星被火箭預期送到適中的近地軌道之後，人造衛星與火箭就會徹底分離，人造衛星本身沒有動力源，我國在幾十年前曾發射過一顆“東方紅一號人造衛星”，至今還在近地軌道上進行圓周迴圈運動，其動力來源於地球的磁場。

地球擁有一個不可視見的巨大的磁場存在，地球磁場的覆蓋面包括了月球公轉運動的內空間範圍，有磁場的存在，就必有區間性磁力線圈物理現象的存在，地球的自轉運動，會連帶性地牽引著其巨大的磁場和磁力線圈進行圓周迴圈運動，而存在於地球磁場區間性的磁力線圈，就會形成近地軌道現象，當人造衛星被輸送到適中的近地軌道上之後，會能圍繞著近地軌道圓周迴圈運動的速度產生了應力作用，並使人造衛星能沿著近地軌道進行圓周迴圈運動的慣性現象。

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