【学科知识解读】掌握了这些物理知识，你也可以破解“星链”卫星运动的奥秘！

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　　最近几年，马斯克的“星链计划”经常出现在科技媒体的头条。关于“星链计划”，SpaceX公司官方是这样介绍的——“星链是世界上第一个也是最大的卫星群，使用近地轨道提供能够支持流媒体、在线游戏、视频通话等的宽带互联网服务”。

　　不难发现，这里有一个高中物理中常见的词，就是“近地轨道”。

　　理论上，距离地面2000km以内的，都可以认为是近地轨道。比如，我们国家的天宫空间站距离地面高度大约是400~450km，就可以看作是一个近地卫星。

　　目前公开的资料显示，马斯克这些卫星所在的轨道，距离地面高度为550km。显然，这些卫星也都是近地卫星了。那么它们的运动有哪些什么特点呢？

　　下面，我们来用高中物理所学的内容解释一下。

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　　首先，画出示意图。由于地球的半径大约为6400km，所以在图上，这些卫星与地面之间的距离就显得很近。

　　

　　在理想条件下，假设卫星只在地球万有引力作用下，绕着地球做匀速圆周运动。设卫星的质量为m，地球质量为M。由于距离地面高度远小于地球半径，因此可以近似认为，卫星距离地心的距离为地球的半径R。如果已知万有引力常量G，在这个过程中，近地卫星的受到的万有引力可以表示为

　　

　　并且，地球对卫星的万有引力提供了卫星做圆周运动的向心力。再写出向心力公式

　　将两个方程联立，就能够求出卫星运行速度

　　如果再把地球的质量

　　和万有引力常量

　　代入，就可以得到近地卫星的运行速度大小为

　　并且，近地卫星的运行速度也叫作“第一宇宙速度”。

　　知识点总结

　　近地轨道卫星的运行有哪些特点呢？下面我们来简单总结一下：

　　由于地球对卫星的万有引力提供卫星做圆周运动的向心力，所以：

　　轨道半径r：近地卫星轨道半径的等于中心天体（比如地球）半径R

　　加速度a：近地卫星绕中心天体的向心加速度a等于中心天体表面重力加速度g

　　假设中心天体的质量为M、半径为R，则运行速度v、角速度ω、周期T的表达式分别为：

　　运行速度：

　　角速度：

　　周期：

　　根据星链计划的愿景，就是通过这些卫星提供覆盖全球的宽带服务，那么只有一两颗，甚至是几百颗卫星都是远远无法覆盖全球的。

　　目前，星链计划已经发射了超过3000颗卫星，并且SpaceX公司还提出了第二代星链计划——将依托“星舰（Starship）”发射第二代卫星，使最终星链卫星数量达到惊人的42000颗。

　　这么多卫星上天之后，会有什么影响呢？

　　首先，近地轨道能够容量的卫星数量是有限的，并且卫星轨道是一种“不可再生资源”。按照SpaceX的规划，等到几万颗星链卫星上天之后，势必会造成近地轨道的“拥挤”，而近地轨道上只能容纳大约6万颗的卫星。所以，在不远的未来，近地轨道上很有可能超过一半的卫星都是马斯克的。

　　另外，在天文爱好者眼中，星链卫星也是一群“不速之客”。2019年，在天文观测者的望远镜中，看到了天上看到这样一串排列整整齐齐、高速移动的亮点，这些就是刚发射上去的星链卫星。

　　图源网络

　　小试牛刀

　　好了，关于星链计划和近地卫星的运动就先介绍到这里了。

　　在考试中，近地卫星经常会和“同步卫星”一起考查。下面，你可以试着完成这道关于近地卫星和同步卫星的练习题，检验今天的学习成果。

　　（单选）科学家近日在太阳系外发现了一颗类地行星，其半径约为地球的，质量与地球差不多，自转角速度和地球接近并可以忽略。据此可知(　　)

　　A．该行星的第一宇宙速度小于7.9km/s

　　B．该行星近地卫星的环绕周期小于地球近地卫星的环绕周期

　　C．该行星近地卫星的向心加速度约为地球近地卫星向心加速度的1.5倍

　　D．该行星表面重力加速度约为地球表面重力加速度的4/9

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