人造卫星的奥秘

人造卫星的奥秘

人造卫星，照字面解释，就是“人造的卫星”，月球是地球的卫星，因它绕着地球转，如同护卫着地球，而人造卫星就是人造且绕着地球转的东西。牛顿的万有引力说月球不会掉下来也不会飞离地球是因为向心力等于离心力，简单地说地球上空的物体只要绕地球的飞行速度够快，就不会掉下来，但也不能太快，太快了又会飞离地球，所以说月球绕地球的速度是“刚刚好”。几亿年来，月球就忠心耿耿地环绕着地球。从另一个角度看来，九大行星（包括地球）几亿年来也是忠心地绕着太阳转，既不掉到太阳里去也不飞离太阳系，而这也是因为这些行星绕太阳的速度“刚刚好”。后来的科学家从此得到灵感，如果放个东西在地球的高空上，而且让它有一个绕地球转的“刚刚好”速度，那这个东西就不会掉下来也不会飞出去，那就是人造卫星。

用牛顿的万有引力理论计算，可以知道如果要把人造卫星放在约800公里高的高度，这个“刚刚好”的速度大概等于每秒7公里多。以这个速度绕地球一圈大约只要一个半小时，而每天可绕地球14圈左右。当然不同用途的人造卫星就有不同的高度、不同的速度；但是要注意，所有的人造卫星都要放在适当的高度，原因是如果放太低，则人造卫星的速度容易受到地球大气层的空气摩擦阻力而减低了速度，等到速度低到某个速度时，人造卫星就会掉下来。幸运的是，大部分的人造卫星在还没掉到地面前就会因空气摩擦而燃烧殆尽，若没烧尽的还是会落到地面来，如以前美国的太空实验室就掉到澳洲海域；前苏联的一个核子动力军事卫星也曾掉到加拿大的地面上，而幸好是掉在加拿大的北部人迹罕至的冰原上。

说到人造卫星的发展，就必须从前苏联于1957年10月4日所发射的史泼尼克号谈起，因为此颗卫星是人类太空科学史上第一颗升空的人造卫星。而后美国大受刺激，当时主政的艾森豪威尔总统立即发表了美国的太空政策，并要求美国科学家全力以赴，最后终于在十年内完成人类登月之壮举。当时美国大举投入太空科学研究，于1958年发射了探索一号（Explorel），而大量人力物力的投入使得人造卫星的发展取得前所未有的进步。至今世界各国所发射的人造卫星总数已达一万多颗，并且这个数目也一直在不断地增加。

如前所述，人造卫星是绕着地球转，人造卫星绕行地球的方式大致分成两种：地球同步卫星与绕极轨道卫星。同步卫星都是发射到地球赤道上空约36000公里的高空上，然后绕着地球的赤道自西向东转。同步卫星所在的高度是特别计算出来的，因为放在此高度的卫星绕行地球的角速度刚好与地球自转的速度一样，地球转，卫星也转，而转速又“刚刚好”一样，绕地球转一圈的时间正好需24小时，因此从地面看来，会觉得卫星就好象吊在上空不动，这就是所谓的同步，也有人称它为静止卫星。一般而言，通信卫星和部份气象卫星都是属于同步卫星，像我们每天在电视晚间气象报告所看到的卫星云图就是同步气象卫星所拍摄的，就因为它是吊在天空中不动，才能每隔半小时或一小时就对同一区域拍摄一张云图并且传到地面供气象人员预报天气。这种同步气象卫星在台风来袭时特别有用，因为它可以不断地拍下台风的动态。想一想，若卫星像月亮一样会东升西沉，不同时间在不同的地方，而台风来袭时，就无法随时得到台风的云图。想象月球绕地球一圈的周期若刚好也是24小时的话，那月亮就不会东升西沉，我们也会看到月亮一直高挂在天空上某一点，这就是同步卫星的运行方式。

另一种绕极轨道卫星通常高度比较低，主要分布在1000公里以下，而大部分又分布在800多公里高左右。此类卫星不像同步卫星是绕着地球的赤道转，而是绕着地球南北极方向转，所以才叫绕极卫星。如果我们用肉眼看得到绕极卫星，我们会在白天看到绕极卫道由北方地平线升起而由南方地平线落下，不同于月球的东升西落；而且因绕极卫星绕地球的速度很快，因此我们看到的这个北升南落的动作在不到半小时就完成。此类卫星绕地球一圈的时间约为100分钟左右。一般的资源卫星大都属于这种型式，主要是因为绕极卫星的轨道设计可让它绕到某个地方的时间都一样，比较适合观测地表变化。一般而言，绕极人造卫星只有800公里左右的高度，相对于同步卫星的36000公里高，绕极卫星比较靠近地球，可以对地球表面看得更仔细，所以像资源卫星与军事间谍大都是采绕极轨道飞行。另外也有采用绕极轨道的气象卫星，其目的之一也是为了能够拍摄到更详细的资料，另外一个优点是也能看到高纬度地区，同步卫星因是挂在赤道上空，因此它所看到的高纬度地区会产生一些变形，而绕极卫星它就没有这个问题。

如前所言，为了避免大气的摩擦力，所有的卫星高度都远超过大气层顶的高度（地球大气层对流层顶的高度约不到20公里高，整个大气层也仅约为100公里），少了空气阻力的影响。所以人造卫星的设计就不需像设计飞机需考虑外形是否为流线形，因此人造卫星的外形大都是千奇百怪，而且很多人造卫星都装有太阳能电池板以便由太阳能来提供卫星电力，所以人造卫星身上常挂着两片长方形的太阳能板，看起来就像人造卫星的一对翅膀。