人造卫星围绕地球飞行而不掉下来 它们的动力来自哪里？

第一颗人造卫星于1957年发射升空，由于在较高的空间上可以有更大的视角，来更加直观和深入地观测地球表面以及大气层的变化，人造卫星相对于地球观测来说具有无法比拟的优势，因此，自此之后世界各国，对于人造卫星以及保障卫星成功发射的大推力火箭的研发越来越受到重视，用于通讯、气象、测绘、农业、导航、环保等各种领域的卫星被发射到了太空，在围绕地球运行的同时为我们的日常生产生活和科学研究，提供了大量精准的数据。那么，卫星围绕地球运行是靠什么实现的呢？

在18世纪，伟大的物理学家牛顿发现了万有引力定律，指出任何有质量的物体之间，存在着一种相互吸引的力的作用，这个力的大小，与物体的质量乘积成正比，与物体之间的距离成反比，这个定律无论是微观领域还是宏观层面都是适用的。而牛顿所发现的物体运动的三大定律中，对于物体运动的表述，则将推动物体运动状态变化归结于受到外力的作用，使之运动速度发生改变产生一定的加速度，如果对于一个处于匀速圆周运动的物体来说，因此虽然速度的数值没有发生变化，但是其运动方向是处于不断变化的，也就是说必然有一个外力推动这个加速度的产生。于是，在牛顿提出万有引力之后，人们对于天体的运行规律就有了更深入思考的空间，那就是围绕天体运行的推动力到底是什么。

虽然牛顿发明了微积分，但是它对于引起圆周运动物体加速度的具体推导，仅限于给出与速度的平方成正比、与运动圆径径成反比的表述，从今天看来还不是太具体。Bonnet则根据物体加速度在运动的垂直和曲线切线两个方向的分量入手，将处于曲线运动的物体加速度，分解为可以在若干等效单独力场中实现的所有分力场引起的综合加速度效果，从而确定了物体的移动轨迹也等效于在所有这些力场中可以同时实现的结论，也就是物体最终的速度值，可以表达为：各个分力场中实现如此效果的各等效速度平方和的开平方，即：V=Sqrt（v1^2+v2^2+v3^2+……vn^2）。

那么，如果对于处于匀速圆周运动的物体来说，物体所受到的各种分力，最终会体现正交分解在切向和法向两个方向上，那么，在切向方向上就形成了物体的线速度，而法向方向上则形成了物体向核心“坠落”的拉力，这个拉力的中心永远指向着圆周的中心。对于一个星体来说，围绕其作周期性运转的其它物体，它们之间的万有引力就充当了这个向心力。

如此一来，根据万有引力公式和向心力公式，我们很容易推导出，如果要围绕一个星体能够做旋转运动，则其所需要的线速度的最低极限值，即v=Sqrt(GM/r)。通过这个表达式，我们可以看出，人造卫星之所以可以围绕地球轨道运行，关键在于它拥有一定的线速度，这个线速度可以达到在地球半径和人造卫星高度这和这个数值下，所能满足的最低速度极限，此时地球对人造卫星的万有引力值完全充当了向心力，而在此基础上我们可以假想出一个离心力，离心力与向心力数值一样，但方向相反，并且与万有引力完全平衡，于是人造卫星就可以用这样的速度“悬浮”于地球的上空。

当然，离心力是不存在的，它只是我们为了解释这种现象所作出的比较容易理解的方式。那么，既然万有引力提供了向心力，产生了向地球质心移动的加速度，也就是相当于产生了自由落体运动，那么为什么卫星不会掉下来呢？主要原因在于地球是一个球体。当人造卫星向地球质心坠落的同时，由于其有一个水平的切向速度，其掉落的区域仍然处于地球的表面以外，因此当这个切向速度达到一个限值，即坠落的空间大小和因切向运动所产生的拓展空间大小一致时，则会始终与地球表面的距离相同，实现了绕地球运动的目标。当线速度小于这个限值时，就会以抛物线的形式逐渐坠落到地面；当线速度大于这个限值时，物体就会离地球越来越远，最终离开地球的引力束缚，这就是从地球的视角出发第一宇宙速度、第二宇宙速度的由来。

人造卫星根据入轨的最终轨道高低，可以分为低轨卫星、中轨卫星和高轨卫星，轨道的高度越低，其所需要的最小环绕极限速度就越大。人造卫星在发射的时候，由于地球的自转以及卫星通过火箭能量输入进行变轨等操作，可以很轻松地达到围绕地球运行所需要的切向速度，而且距离地球的高度越高，这个所需要的切向速度就越小，不过所需要火箭助推的能量输入就越大。而在卫星成功入轨之后，其距离地面越近，所受到的空气阻力的影响也会越大，因此飞行高度的保持就会越困难，寿命也就越短，因此对于地球同步轨道这样的高轨区域，是世界各国目前和今后争夺的重点空间领域。

对于高轨道运行的卫星来说，虽然轨道内的气体非常稀薄，但并非不存在，因此卫星运行一段时间以后，其线速度也会缓慢地降低，这时候就需要地面科学家们进行变轨的指令，重新降低一定的高度来保障其稳定运行，当卫星上的仪器设备超出耐受极限或者轨道高度不能满足任务需求时，卫星就不再具有应用价值成为太空垃圾，在继续围绕地球运行一定时间以后，随着高度的持续降低最终坠落到地球表面，完成它们光辉灿烂的一生。