你今天使用人造衛星了嗎？ 早上起床關上鬧鐘迎接新的一天 你像往常一樣 在出門以前先聽新聞廣播報讀天氣 依照手機給的資訊 挑選適合的路線通勤 在車上聽著新聞廣播 播報各國之間的國際新聞 你知道這些資訊有多少來自人造衛星嗎？ 人造衛星是人類建造的一種太空載具 將其以火箭或太空梭等飛行器具 載運到太空中 讓它像天然衛星一樣 繞著地球或是其他行星運動 便可進行觀測或是傳遞訊號 自1957年10月4日 蘇聯發射了人類史上的第一顆人造衛星 史普尼克1號以後 人類開始持續依據不同的目的 發射地球人造衛星 你知道嗎？ 只要在這些人造衛星上裝設不同的酬載 就可以讓我們更加瞭解地球喔！ 那酬載有哪些呢？ 有的是偵測大氣運動的探測儀 有的是偵測洋流的 例如：臺灣在2006年發射的 福爾摩沙衛星三號 就裝有氣象遙測應用的酬載 能掌握漁場方位提高漁獲量 幫助我們捕捉更肥美的魚 除此之外 還有通訊、軍事及科學分析用的酬載 因此人造衛星不僅功能多多 也讓我們的生活更加便利 發射人造衛星要克服什麼樣的門檻呢？ 如剛剛所說的 我們需要使用火箭帶著人造衛星 克服萬有引力飛向外太空 在飛行到宇宙的過程中 為了能更有效地利用火箭燃料 火箭會採多節設計 在升空過程中將已經用盡的燃料艙拋棄 這麼看來發射衛星似乎是一件 把大型機台丟到外太空的浩大工程 但實際上 有些人造衛星也不見得有這麼大 像是2021年1月 臺灣團隊製作了兩顆立方衛星 「飛鼠」與「玉山」 重量僅僅只有4.4公斤及1.6公斤 在這張衛星分類的表格中 歸類為奈米衛星 質量輕的衛星不用消耗火箭太多燃料 據統計 截至2021年六月 人類已經發射了六千六百多顆衛星 而在今天仍有一千三百多顆衛星 在地球上方為我們服務著 這個數量是不是相當可觀呢？ 公布答案 影響人造衛星在相同軌道運動速率的物理量 不是衛星質量 而是地球質量與軌道半徑 你答對了嗎？ 為什麼會是這兩個物理量呢？ 我們先試著想想看 人造衛星之所以能繞著地球作圓周運動 是不是會需要向心力呢？ 那究竟是什麼力量來提供向心力呢？ 沒錯 就是來自於地球的「萬有引力」 以左圖為例 可以看到人造衛星 正以距離地球球心R的距離 為半徑作圓周運動 根據萬有引力公式 F等於R平方分之GMm 我們結合牛頓運動定律 探討向心力造成的影響 Fc等於mac 可以知道 是引力使質量小m的人造衛星 擁有了向心加速度ac 若將共同項質量小m約掉 我們便可發現改變運動狀態的加速度 很單純地由地球的質量M 以及距離R決定 當距離R增大時 人造衛星的向心加速度就會跟著減小 而在過去的單元中知道 向心加速度ac 可以用衛星作圓周運動的速率、半徑作描述 等於R分之v平方 我們再將這個式子帶入ac 再移項整理一下 就能發現 人造衛星在軌道半徑R上飛行的速率v 等於根號R分之GM 因此同一軌道上的衛星飛行速率會相同 也就是說 我們不用特別擔心會發生衛星追撞問題 然而現今人造衛星數量繁多 對於以不同角度旋轉的人造衛星而言 仍然會有發生衝撞的風險 為了避免這個情況發生 在發射人造衛星前 都必須先和國際電信聯盟 發起軌道申請 該聯盟負責隨時對人造衛星的飛行做監測 可以確實地避免衛星撞擊 減少災害發生 針對繞著地球飛行的 作等速圓周運動的人造衛星 依照他們和地球的距離 分成低、中、高三個軌道 軌道半徑除了和速率有關以外 也和它們繞行週期有關 譬如說 距離地球高度300公里到2,000公里的低軌道衛星 繞行週期約為1.5到2小時 常作為傳遞訊號的通訊衛星 距離地球2,000公里到35,786公里的中軌道衛星 常見繞行週期約2到24小時 可以做為導航衛星 其中最特別的 是距離35,786公里的衛星 它的週期與地球自轉時間一樣是24小時 稱為同步衛星 可以固定高掛在某個地區上空進行科學測量 而大於35,786公里高度以上的高軌道衛星 繞行週期大於24小時 你注意到了嗎？ 離地表越遠似乎週期越大呢？ 相關原理我們將在下一節的影片做後續的介紹 總結以上內容 每個軌道的衛星都有適合它們發揮的作用 而繞行的方向也有其用途 例如：有一種繞行方向 和地球自轉方向垂直的監察用衛星 如果我們把地球攤成平面觀察 就會發現這個監察衛星 可以經過地球所有地方的上空 是不是很有意思呢？ 那發射出去的人造衛星可以永久使用嗎？ 事實上 越接近地表附近的衛星 越容易受到微量的氣體阻力而偏離軌道 因此人造衛星都會裝載微推動力推進器 藉著消耗燃料產生的推力 來維持運行軌道 但燃料是有限的 當燃料快要耗盡時 也就到了這顆衛星即將退休的時刻 會指示衛星脫離軌道飛向地球 從而結束人造衛星的一生 同學們在平時的晚上可以多抬頭看看天空 或許在某一天的深夜 你會看到一顆發光的星體墜向地平線 那會是流星嗎？ 不 也有可能是正要退休的人造衛星喔 讓我們回顧一下今天所學到的內容 人造衛星繞地球作圓周運動的向心力 來自於萬有引力 藉由數學推導 我們知道相同軌道的人造衛星 有相同的運動速率 不同軌道高低的人造衛星 有不同的適合用途 軌道越高的衛星 週期越大 其中 運動週期24小時的人造衛星 稱為同步衛星 能固定在同一個地點上空飛行 想一想 從外太空墜落下來的人造衛星 有沒有可能造成飛來橫禍？ 要如何才能避免災害的發生？ 歡迎你去尋找答案並留言分享你的想法 我們下次見囉！ Bye bye