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人造地球卫星轨道

归档日期:06-28       文本归类:发射速度      文章编辑:爱尚语录

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  人造地球卫星在空间环绕地球运行的路径。可用轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角距和近点时刻等六个轨道要素(根数)描述。有三种分类法:(1)按轨道形状分为圆轨道(圆心为地心)和椭圆轨道(焦点之一为地心);(2)按轨道倾角分为赤道轨道、极地轨道和倾斜轨道;(3)按地面观测点所见卫星运动状况分为一般轨道、太阳同步轨道和对地静止轨道。所谓人造地球卫星轨道就是人造地球卫星绕地球运行的轨道。这是一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面,轨道平面总是通过地心的。

  人造地球卫星轨道:从卫星起飞到卫星在轨道上运行工作,一直到卫星的寿命结束,卫星质心的运行轨迹,我们称之为人造地球卫星轨道。很明显,人造地球卫星轨道分为如下三个部分:

  1、发射轨道:卫星从起飞到入轨,卫星质心的运动轨迹。我们称之为发射轨道。

  2、入轨点:卫星进入运行轨道称为入轨,进入运行轨道的初始点,我们称之为入轨点。

  3、运行轨道:卫星入轨后开始运行工作,一直到工作寿命结束,卫星质心的运动轨迹我们称之为运行轨道。

  1、直接入轨:将卫星直接送到预定的运行轨道。它是通过运载火箭各级发动机的接力工作,最后一级发动机工作结束后,卫星进入预定轨道。这种入轨方式适合发射低轨道的卫星。

  2、滑行入轨:这种入轨方式是指,运载火箭各级发动机工作结束,脱离卫星后,卫星会依靠惯性自由飞行一段的入轨方式。滑行入轨分为发射段、自由飞行段和加速段三部分组成,适用于中高轨道和高轨道卫星的发射。

  3、过渡入轨:这种入轨方式是指,运载火箭各级发动机工作结束,脱离卫星后,卫星会有一段时间处于“停泊”的状态,然后通过加速,过渡到预定的轨道。这种入轨方式称为过渡入轨。过渡入轨分为发射段、停泊轨道段(通常“停泊”在距地球表面200公里左右的圆轨道上)、加速段、过渡轨道段(远地点距离地球表面36000公里的椭圆轨道)和远地点加速段组成。这种入轨方式适用于发射同步轨道卫星。

  上文中出现了远地点的术语,大家可能会疑惑?卫星的轨道如图1所示。看图大家就非常容易理解了。

  如图1,卫星并不是按正圆的轨迹运行。卫星轨道近似椭圆型的运行轨道。我们称它为开普勒椭圆轨道。

  还有,如果卫星轨道的周期与地球自转周期相同,卫星运行的方向也和地球自转的方向一致。这样的卫星轨道我们称它为地球同步轨道。如果该轨道的倾角为零,又是圆轨道时,我们就可以称之为地球静止轨道了。

  如果卫星运行的方向和地球公转的方向一致,旋转的角速度也等于地球公转的角速度,这样的卫星轨道我们称之为太阳同步轨道。

  人造地球卫星轨道按离地面的高度,可分为低轨道、中轨道和高轨道;按形状分可分为圆轨道和椭圆轨道;按飞行方向分可分为顺行轨道(与地球自转方向相同)、逆行轨道(与地球自转方向相反)、赤道轨道(在赤道上空绕地球飞行)和极轨道(经过地球南北极上空)。人造地球卫星还有以下几种特殊轨道。

  地球同步轨道。卫星在顺行轨道上绕地球运行时,其运行周期(绕地球一圈的时间)与地球的自转周期相同。这种卫星轨道叫地球同步轨道。

  如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行,由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同,从地面上看去它好像是静止的,这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例,它只有一条。

  太阳同步轨道。由于地球扁率(地球不是圆球形,而是在赤道部分隆起),卫星轨道平面绕地球自转轴旋转。如果卫星轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同,则这种卫星轨道叫太阳同步轨道。

  停泊轨道(parking orbit)航天器为了转移到另一条轨道去而暂时停留的椭圆(圆)轨道,又称驻留轨道。

  停泊轨道按中心体不同分为地球停泊轨道、月球停泊轨道和行星停泊轨道。地球停泊轨道是发射月球探测器、登月载人飞船、空间探测器和离地球较远的人造地球卫星(如静止卫星)的一个阶段,用于选择进入过渡轨道的入轨点,以弥补地面发射场地理位置固定的缺点,满足过渡轨道的要求。月球和行星停泊轨道用于选择进入轨道的起点,以保证航天器降落在天体表面的指定地区。对于返回地球的航天器,同样可以选择返回轨道的起点,以保证航天器能够准确进入再入走廊。此外,安排停泊轨道还为飞往新轨道之前提供最后全面检查航天器各系统可靠性的机会。

  星下点轨迹周期性出现重叠现象的人造地球卫星轨道。重叠出现的周期称为回归周期。工程中回归周期的大小根据卫星的使命确定。同一个回归周期对应有很多条轨道。如回归周期为一天时,运行的轨道周期可近似为24小时、8小时……,从中可以选出合适的运行周期以满足卫星使命的要求。在回归轨道上运行的卫星,每经过一个回归周期,卫星重新依次经过各地上空。这样可以对卫星覆盖的区域进行动态监视,借以发现这一段时间内目标的变化。在轨道设计中,回归轨道仅限制轨道运行周期,若再选择其他参数,可设计出太阳同步回归轨道。这样的轨道兼有太阳同步轨道和回归轨道的特性。选择合适的发射时间,可使卫星在经过某些地区时这些地区有较好的光照条件。以获取地面图像为目的的卫星,像侦察卫星、气象卫星、地球资源卫星大都选择这种轨道。回归轨道要求轨道周期在较长时间内保持不变,因此,卫星必须具备轨道修正能力,以便能够克服入轨时的倾角偏差、周期偏差和补偿大气阻力引起的周期衰减。

  倾角为90°的人造地球卫星轨道。又称极地轨道。在极轨道上运行的卫星,每一圈内都可以经过任何纬度和南北两极的上空。由于卫星在任何位置上都可以覆盖一定的区域 ,因此,为覆盖南北极,轨道倾角并不需要严格的90°,只需在90°附近就行。在工程上常把倾角在90°左右,但仍能覆盖全球的轨道也称为极轨道。近地卫星导航系统(如美国海军导航卫星系统)为提供全球的导航服务采用极轨道。许多地球资源卫星、气象卫星以及一些军事侦察卫星采用太阳同步轨道,它们的倾角与90°只相差几度,所以也可以称其为极轨道。还有一些研究极区物理的科学卫星也采用极轨道。

  实际上地球并不是完全的正圆形,而且除了作用于卫星上的地心引力外,还有太阳和月球的引力、太阳辐射压力等外力。这些外力会使卫星的实际运行轨道偏离开普勒轨道。这种偏离我们称之为轨道摄动。引起卫星轨道摄动的外力,我们称之为摄动力。

  由于摄动力的存在,即使是静止卫星也不可能是绝对静止的,这就需要靠地面的测控站遥控卫星上的燃气喷射系统,调整卫星的定点确保卫星按轨道运行。

  物体在地球表面上飞行时,达到11.2千米/秒的运动速度,就能摆脱地球引力的束缚,这个速度叫脱离速度或逃逸速度。在摆脱地球束缚的过程中,在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球,而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系,物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球,而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。人类的航天活动,并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器,需要绕地球飞行,即让航天器作圆周运动。众所周知,必须始终有一个力作用在航天器上。其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径,即F=mv2/R.在这里,正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力,正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。宇宙速度是物体从地球出发,在天体的重力场中运动,四个较有代表性的初始速度。航天器按其任务的不同,需要达到这四个宇宙速度的其中一个。 第一宇宙速度(又称环绕速度):是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度)。大小为7.9km/s ——计算方法是V‵=gR (g是重力加速度,R是星球半径) 。 第二宇宙速度(又称脱离速度):是指物体完全摆脱地球引力束缚,飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.2km/s 。 第三宇宙速度(又称逃逸速度):是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.7千米/秒。 环绕速度和逃逸速度也可应用于其他天体。例如计算火星的环绕速度和逃逸速度,只需要把公式中的M,R,g换成火星的质量、半径、表面重力加速度即可。

  (1)卫星轨道为一椭圆,地球在椭圆的一个焦点上。其长轴的两个端点是卫星离地球最近和最远的点,分别叫做远地点和近地点。

  (2)人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行时,其运行速度是变化的,在远地点时最低,在近地点时最高。速度的变化服从面积守恒规律,即卫星的向径(卫星至地球的连线)在相同的时间内扫过的面积相等。

  (3)人造地球卫星在椭圆轨道上绕地球运行,其运行周期取决于轨道的半长轴(与半长轴的二分之三次方成正比)。不管轨道形状如何,只要半长轴相同,它们就有相同的运行周期。人造地球卫星轨道的形状和大小由它的半长轴和半短轴的数值来决定。其半长轴和半短轴的数值越大,轨道越高;半长轴与半短轴相差越多,轨道的椭圆形越扁长;并长轴与半短轴相等则为圆形轨道。

  卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角叫轨道倾角,它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。轨道倾角小于90为顺行轨道;轨道倾角大于90为逆行轨道;轨道倾角为0则为赤道轨道;轨道倾角等于90,则轨道平面通过地球南北极。

  由于卫星和地球、太阳之间复杂的相对运动,所以要想随时确定卫星轨道的空间位置,除应知上述半长轴、半短轴和轨道倾角参数以外,还需要了解升交点赤经和近地点幅角两个参数。

  为要说清升交点赤径和近地点幅角的物理含义,先应了解春分点和升交点两个概念。

  在地球和太阳的相对运动中,如果假定地球不动,则太阳绕地球运行,当太阳从地球的南半球向北半球运行时,穿过地球赤道平面的那一点叫春分点。

  人造地球卫星绕地球运行,当它从地球南半球向北半球运行时,穿过地球赤道平面的那一点叫升交点。

  所谓升交点赤经(Ω)就是从春分点到地心的连线与从升交点到地心的连线的夹角。

  所谓近地点幅角(ω)就是从升交点到地心的连线与从近地点到地心的连线的夹角。

  半长轴(a)、偏心率(e)、倾角(i)、升交点赤经(Ω)和近地点幅角(ω)被称为人造地球卫星轨道的5要素(或根数)。要知道卫星的瞬时位置,还必须测量它过近地点的时间(z)。有时,把上述6个参数合称为人造地球卫星轨道的6要素。

  人造地球卫星在轨道上的每一个位置都会在地球表面上有一个投影,它叫星下点。所有星下点连成的曲线叫星下点轨迹。由于地球自转,星下点轨迹不只一条。相邻两条轨迹在同一纬度上的间隔正好等于地球在卫星轨道周期内转过的角度。根据星下点轨迹,可以预报卫星什么时候从什么地方上空经过。

  特殊轨道的卫星星下点轨迹也是特殊的,如地球静止轨道卫星的星下点轨迹是一个点,而地球同步轨道卫星的星下点轨迹,则是一个“8”字,其交*点在地球赤道上。

  星下点: 地球中心与天体的连线在地球表面上的交点。在遥感中星下点指的是人造地球卫星在地面的投影点(或卫星和地心连线与地面的交点),用地理经、纬度表示。当卫星在星下点进行摄像时,影像的几何畸变最小。

  人造地球卫星的轨道应根据其任务和应用要求来选择。例如,对地面摄影的地球资源卫星、照相侦察卫星常采用圆形低轨道;若为了尽量扩大空间环境探测的范围,卫星可采用扁长的椭圆形轨道;为了节省发射卫星的能量,卫星常采用赤道轨道和顺行轨道;对固定地区进行长期连续的气象观测和通信的卫星,常采用地球静止卫星轨道;需对全球进行反复观测的卫星可采用极地轨道,要使卫星始终在同一时刻飞过地球某地上空,也就是说要使卫星始终在相同的光照条件下经过同一地区,则需要采用太阳同步轨道。

  人造地球卫星由运载火箭发射入轨。从发射点到入轨点的飞行轨迹叫发射轨道。发射轨道包括垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。垂直起飞段和程序转弯段都大同小异,但入轨段根据轨道高度的不同有直接入轨、滑行入轨和过渡转移入轨之分。

  低轨道卫星一般直接入轨,即火箭连续工作,当最后一级火箭发动机关机时,卫星就可进入预定轨道。

  中、高轨道卫星常常滑行入轨。其发射轨道由火箭发动机工作时的主动段、发动机关机后*惯性飞行的滑行段和发动机再次工作时的加速段组成。

  地球静止轨道卫星常常采用过渡转移轨道入轨。它因火箭的级数不同而有差异。对于三级火箭来说,过程一般如下。

  第一、二级火箭红主动段、停泊轨道和加速段,将卫星连同火箭上面级送入200-400千米的停泊轨道。当飞经赤道上空时火箭上面级点火,把卫星送入近地点与停泊轨道高度相同、远地点为35786千米的大椭圆转移轨道。卫星在转移轨道上运行时,地面测控站要精确测量它的姿态和轨道参数,并随时调整它的姿态偏差。当卫星在预定的点火圈运行到远地点时,地面测控站发出指令,让卫星上的远地点发动机点火,使卫星提高飞行速度,并改变飞行方向,进入地球同步轨道。如要进入地球静止轨道,则需用卫星上的小推力发动机调整它的运行速度,使它慢慢地到达预定的经度上空。这一过程叫卫星定点。

  飞向太阳系其他天体的航天器叫行星控测器。行星控测器的飞行轨迹叫航线(或轨道)。

  要飞向其他天体,必须达到摆脱地球引力的第二宇宙速度,航行器以抛物线轨迹飞离地球,然后在太阳引力作用下以圆轨道绕太阳飞行。如它大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度,又是沿地球公转方向飞行,由于它比环绕太阳飞行所需要的速度大,因而在近日点入轨后,便在地球轨道外侧的椭圆轨道绕太阳飞行。速度愈大,椭圆轨道愈扁长,到达的距离就愈远。因此,选择不同的初速度,可使探测器到达火星、木星……冥王星等地外行星及其卫星。如果是沿地球公转相反的方向飞行,控测器在远日点入轨后,将在太阳引力作用下在地球轨道内侧的椭圆轨道上绕太阳飞行,可与金星、水星等地内行星相遇。如果达到第三宇宙速度,则它以双曲线轨道飞离地球,而以抛物线轨迹飞离太阳。选择适当的发射时间,它也可与地外行星相遇。

  由上可知,飞向太阳系其他天体的航线(轨道)不只一条。由于各种轨道所要求的初始速度不同,而初始速度最小则能量最省,因而初始速度最小的轨道被称为能量最省轨道。

  飞向行星的能量最省航线只有一条,这就是与地球轨道及目标行星轨道同时相切的双切椭圆轨道。它是奥地利科学家霍曼在1925年首先提出来的,因而又叫“霍曼轨道”。霍曼轨道以太阳为一个焦点,远日点(或近日点)和近日点(或远日点)分别位于地球轨道和目标行星轨道上。轨道的长轴则等于地球轨道半径与目标行星轨道半径之和。

  用能量最省航线飞向远距离行星的时间太漫长,如飞向冥王星约需46年。为节省时间,需采用其他航线,或者在航程中用自备动力加速,或者借助其他行星的引力加速,但这样一来,其轨迹不再是单纯的椭圆、抛物线或双曲线了。飞向月球的航线与飞向行星的航线类似。

  在实际应用中,为了克服火箭发射场地理位置的局限,飞向月球和行星的探测器一般先进入绕地球飞行的过渡轨道,然后在合适的方位上加速进入预定航线。

  有些航天器,如返回式卫星、载人飞船和航天飞机等,在完成任务后要返回地球。从脱离运行轨道到降落地面这一段的飞行轨迹叫航天器的返回轨道。

  根据航天器在返回轨道上所受阻力和升力的情况,其返回轨道可分为弹道式、半弹道式和滑翔式(升力式)。

  弹道式返回轨道。航天器脱离运行轨道进入返回轨道后,在再入大气层时只受阻力作用而不产生升力,因而速度快,空气动力过载大,落点无法调整和控制,可能产生较大的落点偏差。美苏早期的飞船和我国的返回式卫星采用这种返回轨道。

  半弹道式返回轨道。航天器在再入大气层后,除了阻力外,还会产生部分升力。只要适当控制它们的滚动角,就可控制升力方向,小范围地改变飞行路径,适当调整落点距离,使落点比较准确,空气动力过载也较小,一般为4~5g。苏联的联盟号飞船和美国的双子星座号飞船都是采用这种返回轨道。

  滑翔式返回轨道。航天飞机等有很大机翼的飞行器,它们在再入大气层后,会产生很大的升力,因而可以调节纵向和横向距离,准确地降落在跑道上,空气动力过载很小,只有2g左右

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