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国际空间站是如何绕地球运行的?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-12-07 10:00:38

这个问题相当宽泛,所以我的回答需要涵盖可能的意图。进入轨道意味着什么?围绕一颗行星运行本质上意味着在行星上方,并以与你向地球下落的速度大致相同的速度向前移动。这就产生了不断向地球坠落,却从未击中地球的现象。

艾萨克·牛顿爵士用大炮的概念来说明这一点。炮弹以很慢的速度发射,很快落到地面上。发射速度越快,飞得就越远。每条路径都可以画成一条曲线。由于地球是圆的,向下弯曲,在我们面前,他推断,一定有一个向前的速度,当与重力结合时,会产生一条与地球曲率匹配的曲线,因此,永远不会落到地面。

国际空间站是如何绕地球运行的

对于国际空间站来说,在250英里(400公里)的高度,前进速度约为17500英里/小时(7.8公里/秒)。

对于圆形轨道,计算适当速度的方程是:

国际空间站是如何绕地球运行的

其中G是引力常数。M是绕轨道运行的物体(地球)的质量。R是地球中心到轨道物体的距离。

所以,物体朝地球下落,但一直与地球擦肩而过。这就是宇航员在国际空间站(ISS)内漂浮的真正原因——他们和飞行器都处于自由落体状态。这并不是因为太空中有“零重力”,就像人们常说的那样。事实上,地球表面的重力加速度约为9.81 m/s^2,而在国际空间站的高度,重力加速度仅下降到约8.75 m/s^2。

传统上,NASA从佛罗里达发射的飞行器进入的轨道倾角约为28度(卡纳维拉尔角的纬度)。俄罗斯的飞行器通常以51.6度的倾角进入轨道(我一会儿会解释为什么)。

从技术上讲,我们可以将航天器发射到任何方向,但当我们发射运载工具时,我们喜欢利用它已有的地球自转速度。地球在赤道处自转最快,在两极处自转最慢。因此,倾角与发射纬度相等的轨道运行成本要低得多。其他的都需要使用额外燃料的机动。向赤道移动需要更多的燃料,而向两极移动则需要更少的燃料。

因此,当美国国家航空航天局和俄罗斯人协商国际空间站的位置时,他们一致认为,把它放在对俄罗斯人有利的倾斜上会更经济。它还允许进行更多的地球观测实验,因为它穿越的地球面积更大。

国际空间站是如何绕地球运行的

至于为什么是51.6度。这似乎有点奇怪,因为我们知道俄罗斯是从拜科努尔发射的。但如果我们在地图上查找拜科努尔,我们会看到它的纬度大约是46度。

但是,有时火箭在上升过程中会失败。如果邻居可以看到火箭弹落在它身上,作为攻击,在上升时尽量避免飞越邻居就变得谨慎起来。

国际空间站是如何绕地球运行的

以51.6度的倾角发射可以确保航天器在明确进入太空之前不会经过中国。这张图只是一个轨道。国际空间站绕地球飞行一圈大约需要90分钟。在这90分钟内,地球旋转了大约22.5度,所以如果它在一个轨道上飞过一个城市,那么这个城市在下一个轨道上就不会在那里了。如果你看NASA的电视,你会看到一张和这张有点像的地图。

国际空间站是如何绕地球运行的

这张地图显示了不止一个轨道,它显示了大约五个轨道。不要让地图的形状让你对飞行器飞行的路径感到困惑。这让它看起来像是国际空间站在改变方向——其实没有。它看起来像这样是因为地图是平的,而不是一个地球仪。把它裹在地球仪上,看起来就对了。如果我们画出很多轨道,我们会得到这样的东西:

国际空间站是如何绕地球运行的

国际空间站在地球的大部分上空运行——基本上在赤道以北51.6度到赤道以南51.6度之间的任何地方。

与大气层中的飞机不同,宇宙飞船不需要持续使用发动机来前进。让我们回到我们的朋友艾萨克·牛顿爵士。牛顿提出了三个运动定律。第一个是:

静止的物体将保持静止,除非受到不平衡力的作用。运动中的物体以相同的速度和方向继续运动,除非受到不平衡力的作用。

所以,在真空空间中,一个物体可以继续以初始速度运动,直到有一些力作用在它身上使它减速。

但是,国际空间站离地球并不是很远,所以我们仍然需要穿越一些气体。随着时间的推移,轨道上稀薄的气体分子通过阻力使航天器减速。这种减速导致飞行器降低轨道。由于与气体粒子的不断碰撞,国际空间站每天损失高达5厘米/秒(0.1英里/小时)的速度和100米(330英尺)的高度。

这张图片显示了国际空间站7年来的海拔高度:

国际空间站是如何绕地球运行的

每一个向上的垂直尖峰都是推进器燃烧(重新助推),以恢复由于减速而失去的高度。今天,国际空间站大约每月进行一次这样的燃烧。

平移燃烧是由国际空间站(ISS)后部的模块进行的推进器点火,如进步号,ATV(如下图所示),或在必要时由服务舱本身进行。在过去,航天飞机轨道飞行器也被用来提供平移燃烧。

总的思路是,如果我们在某一点产生一个-v,这个-v会影响飞行器的整个轨道。所以在上面的图片中,我们可以看到在轨道的前半部分(逆时针移动),它使国际空间站脱离了它的名义轨道。但是一旦我们通过了180度的点,我们可以看到v现在把国际空间站降低到它原来的点。

两次燃烧再推进基本上就像一次燃烧再推进一样,但是在180度的时候它再次启动推进器来抵消最初的delta-v。这导致国际空间站在第二次燃烧的高度处于一个新的圆形轨道上。

大多数情况下,重新启动由附加的Progress模块完成。我们通常在飞船上使用较小的推进器,因为我们不希望飞船上的加速度对正在进行的有效载荷科学产生很大影响。通常我们使用四个推进器,每个推进器的力为13.3 kg-f (29.3 lbf)。
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