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从返回舱进入稠密大气层到其回收着陆系统开始工作的飞行阶段被称为再入段。这一阶段是返回过程中环境最为恶劣的部分,返回舱需承受气动加热和再入过载的影响。
随着高度逐渐降低,空气密度不断增加,返回舱与空气剧烈摩擦,底部温度可高达数千摄氏度,周围被火焰包围。因此,必须对返回舱采取特殊的防热措施,以确保其安全通过这一极端环境。
在下降过程中,当返回舱达到一定高度时,会进入一个无线电“黑障区”。在这个区域内,返回舱既接收不到地面发送的无线电信号,地面也无法接收到返回舱发出的信号。这使得通信暂时中断,增加了任务的复杂性和风险。
综上所述,再入段是返回过程中最关键的阶段之一,需要精心设计和严格控制,以确保返回舱能够安全穿越大气层并顺利着陆。
### 火箭与卫星的轨道特性
火箭的主要任务是将载荷送入太空,完成任务后通常会被抛弃。因此,我们更关注的是卫星等航天器绕地球飞行的速度和轨道特性。火箭的末级可能会进入轨道,但最终仍会坠回大气层,例如最近长征七号的二级火箭重返大气层。
#### 第一宇宙速度
在高中物理中,我们了解到7.9 km/s是第一宇宙速度,也称为环绕速度。它指的是航天器或卫星的最小发射速度和最大环绕速度。这个值是通过万有引力公式和匀速圆周运动公式计算得出的。
很多人误以为所有卫星绕地球的速度都是7.9 km/s,但实际上这是一个理想值。公式中的r使用的是地球平均半径,因此7.9 km/s是指物体在地面表面(即距地0公里)的环绕速度。现实中,卫星的轨道高度至少要达到200公里,所以实际的环绕速度会低于7.9 km/s。
#### 轨道高度与环绕速度及轨道周期
根据公式:
\[ v = \sqrt{\frac{GM}{r}} \]
其中 \( r = R_{\text{地球}} + h \),\( R_{\text{地球}} \) 是地球半径,\( h \) 是轨道高度。
由此可知,轨道高度越高,环绕速度越小。因此,现实中的环绕速度必然小于7.9 km/s,不同的轨道高度有不同的环绕速度。
同时,根据公式:
\[ T = 2\pi \sqrt{\frac{r^3}{GM}} \]
轨道高度越高,轨道周期越长。
**结论:**
- 轨道高度越高,环绕速度越小。
- 轨道高度越高,轨道周期越长。
卫星轨道根据高度通常分为以下几类:
- **低地球轨道(LEO)**:200~2000 km
- **中地球轨道(MEO)**:2000 km~35786 km
- **地球同步轨道(GSO)**:35786 km
- 其中位于地球赤道上的地球同步轨道为地球静止轨道(GEO)
地球同步轨道的轨道周期与地球自转周期相等,都是23小时56分4秒。在这个轨道上的卫星会定点于地球的某一经度上,而地球静止轨道上的卫星则会定点于赤道上的某点,相对地面位置永远不变。虽然相对地面位置不变,但由于轨道高度过高,在太空中可能看不到明显的日出日落现象。
#### 轨道上经历昼夜更替的速度
影响卫星在轨道上经历昼夜更替速度的因素有两个:轨道周期和轨道高度。
1. **轨道周期越短,经历昼夜更替的速度越快**
通常的航天活动大部分位于近地轨道,近地轨道的轨道周期都很短,所以经历昼夜更替的速度很快。以国际空间站为例,其轨道周期约为一个半小时,这意味着国际空间站上一个昼夜为1小时30分钟左右。
2. **轨道高度越高,“白天时间”比“夜晚时间”更长**
在中高轨道上,离地球越远,地球遮挡太阳的时间就越短,使得“夜晚时间”相对“白天时间”减少了。这一点可以通过模拟游戏《坎巴拉太空计划》进行体验。
最后,我用《坎巴拉太空计划》亲测了不同轨道高度对应的环绕速度和轨道周期,并总结如下表:
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通过以上分析,我们可以更好地理解火箭、卫星的轨道特性以及它们在不同轨道高度下的运行规律。
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