什么是轨道速度?
轨道速度是指一个物体围绕质量更大的天体(例如绕地球运行的卫星,或绕太阳运行的行星)保持稳定圆轨道所需的运行速度。在这个速度下,中心天体的引力恰好提供了让物体持续做圆周运动所需的向心力。速度过慢,物体会向内坠落;速度过快,则会摆脱引力束缚飞离轨道。
计算公式
对于圆轨道,轨道速度由 $$v = \sqrt{\dfrac{G \cdot \text{Mass (kg)}}{\text{Radius (m)}}}$$ 给出。其中 G 为万有引力常数(\(6.674 \times 10^{-11}\ \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{kg}^2\)),M 为中心天体的质量(单位:千克),r 为轨道半径(单位:米,从中心天体的球心算起,而非从其表面算起)。计算结果以米每秒(m/s)为单位。轨道周期——即绕行一圈所需的时间——可由 \(T = 2\pi r / v\) 求得。
使用方法
输入中心天体的质量(以地球为例,约为 \(5.972 \times 10^{24}\ \text{kg}\))和轨道半径。你可以使用科学计数法输入,例如 5.972e24。计算器会返回以 m/s 和 km/s 表示的速度,以及以秒为单位的轨道周期。
实例演算
假设一颗卫星在地球表面半径处运行,\(r = 6.371 \times 10^{6}\ \text{m}\),\(M = 5.972 \times 10^{24}\ \text{kg}\)。则 $$v = \sqrt{\frac{6.674\text{e-}11 \times 5.972\text{e}24}{6.371\text{e}6}} \approx \sqrt{6.256 \times 10^{7}} \approx 7{,}910\ \text{m/s}$$ 约合 7.91 km/s。这与人们熟知的近地轨道速度(约 7.9 km/s)十分接近。
常见问题
半径是从天体表面算起的吗? 不是——半径要从中心天体的球心算起。对于近地轨道,需要把天体半径加上飞行高度(海拔)。
这个公式是否默认为圆轨道? 是的。该公式给出的是完美圆轨道下的运行速度。椭圆轨道上的速度是变化的,需用活力公式(vis-viva 方程)来描述。
那逃逸速度呢? 在同一半径处,逃逸速度等于圆轨道速度的 \(\sqrt{2}\) 倍。