大气阻力对卫星寿命影响简述

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1、大气阻力对卫星寿命影响简述刘东明（基础医学院临床2班1310301205）任笑天（基础医学院临床2班1310301210）邓凯鑫（基础医学院临床2班1310301204）摘要：人造地球卫星是一种能环绕地球飞行的无人航天器，人造地球卫星按用途可分为三大类：科学卫星、技术试验卫星、应用卫星。近年来随着各国科技、军事，甚至是社会生活中的方方面面需求的增长，人造地球卫星数量也在不断上升。卫星寿命是影响卫星运行的一个重要的因素，卫星寿命可分为设计寿命和轨道寿命。本文主要就卫星轨道寿命的主要影响因素——大气阻力作了一些讨论。关键词：人造地球卫星卫星寿命大气阻

2、力1.引言人造卫星的寿命取决于许多因素。第一大影响卫星寿命的因素是卫星本身。卫星正常功能的发挥，需要卫星本身各系统都能良好地工作，而卫星各部件都是有寿命的，一旦某一部件过了寿命期，它一出故障就会导致整个卫星失效。所以，人造卫星在设计研制过程中，都要分析各部件的寿命，此寿命称为卫星的设计寿命。大型应用卫星需要不断地对轨道和姿态进行调整，以使之能正常使用。轨道调整和姿态保持主要靠火箭发动机，它在不断消耗推进剂。为此，通信卫星等应用卫星也就越来越大，以尽可能携带更多的推进剂，来延长其使用寿命。第二大影响卫星寿命的因素是空间环境。人造卫星在运动过程中要受

3、到各种外力的作用，这种作用对卫星轨道的影响一般十分微小，称为卫星轨道的摄动作用，包括地球非球形的形状摄动，大气阻力摄动，太阳光压摄动，日、月引力摄动等。这些摄动的影响常常导致人造卫星的轨道形状和大小都发生变化，对卫星的运动轨道在空间的位置和寿命的长短都起着重要作用。此外，空间的重粒子事件也会对卫星部件产生不利作用，会导致某些部件失效，为此，必须对一些易受影响的部件进行防护。第三大影响卫星寿命的因素是轨道因素。一般低轨道卫星寿命都比较短，高轨道卫星寿命相对较长，这主要是因为轨道高度不同，大气产生的阻力不同。提高卫星的寿命，可以产生很大的效益，因此在

4、卫星设计制造阶段，要综合考虑影响卫星寿命的种种因素，并事先想办法尽可能消除或削弱不利因素，提高其使用寿命。9卫星设计寿命是指卫星在运行轨道上应该达到的正常工作时间，这是卫星的主要技术指标之一。还记得那颗几十年前在太空激昂的唱着《东方红》的卫星么？你可还相信它现在还在太空之中翱翔。这颗卫星是于1970年4月24日21时35分发射的中国的第一颗人造卫星，卫星采用银锌蓄电池作电源，电池寿命有限，卫星运行28天后，电池耗尽，“东方红”乐曲停止播放，卫星结束了它的工作寿命。但是，卫星的轨道寿命没有结束，根据轨道计算，大约能在太空运行数百年。[1]图表1东方

5、红一号成功发射从其轨道数据上来看，“东方红一号”卫星近地点在437.7km处，而远地点则达到了2057.6km。根据最新的测算位置，在北京时间2014年4月24日15时30分，卫星正位于大西洋与印度洋交界处，距离地面高度623.63km。图表22014年4月24日东方红一号实时动态坐标图虽然“东方红一号”卫星轨道寿命据估算可达数百年，但其已不能算作正常工作的卫星了，它已停止工作很多年了。由此可见，卫星寿命不光仅仅只有轨道寿命，其设备的寿命也直接影响着为人类服务的时间长短。那么是什么原因使东方红卫星的轨道寿命长达数百年，而现如今大多数卫星都不能达到

6、这样长的寿命呢？我们接下来需要探讨的就是卫星轨道寿命的一个关键影响因素——大气阻力。92.轨道寿命卫星轨道寿命是指卫星在轨道上存留的时间，是从卫星进入轨道到陨落为止的时间间隔。人造地球卫星一般是在距地球表面100公里以上高度的外层空间中飞行，在这样高的高度，大气是极其稀薄的额，其所处环境并不是绝对的真空，卫星受到一个大气阻力的摄动作用，此作用虽小，但由于卫星持续飞行的时间长，大气阻力对其轨道寿命影响仍然巨大。在大气阻力作用下，卫星的实际轨道是不断下降的螺旋线。当下降到110～120公里的近圆形轨道时，大气阻力使卫星迅速进入稠密大气而烧毁。为确定大

7、气阻力对卫星轨道寿命的影响，首先讨论稀薄气体中，由于气体分子与物体表面碰撞而产生的阻力公式。1.1物理模型画图更清楚高空稀薄气体中，采用理想气体模型，分子处于热平衡中的Maxwell速度分布模型。将运动的卫星看做前后截面相同的柱体，在轨道上运动时，忽略其侧身所受空气阻力。设以速度v向前运动，气体分子入射方向均垂直于截面。那么气体分子的y、z方向速度均为0，只有x轴向的速度。1.2具体推导首先以物体运动速度v的方向为x轴正方向，建立一个x方向速度的坐标轴。取截面面积微元dS，时间微元dt，当物体运动时，在其前方的长度为vdt，底面积为dS的空气柱中

8、气体分子以速度vx与物体表面发生完全弹性碰撞。碰撞后速度分别为，由动量守恒定律，得（1）又由无能量损失的完全弹性碰撞，得（2）由（1）（