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为什么卫星的发射速度随着发射高度的增加而增大

归档日期:07-29       文本归类:发射速度      文章编辑:爱尚语录

  我们的课本过多的强调圆轨道,把很多朋友的思路都束缚住了。实际上卫星的轨道是椭圆轨道,圆形是椭圆形的一种特例。

  环绕速度。环绕速度是在高度为H的条件下卫星围绕正圆轨道做圆周运动的速度。环绕速度随着轨道高度的增加而减小。

  第一宇宙速度。轨道高度为0,卫星贴着地面运转时的环绕速度。第一宇宙速度实际上是地球卫星的“最大”环绕速度。

  逃逸速度。逃逸速度是卫星逃出地球引力圈所需要的速度。逃逸速度也随着高度的增加而减少。

  椭圆轨道的近地点速度大于环绕速度,而远地点速度小于环绕速度。这个应该很好理解,大于环绕速度时卫星远离,小于环绕速度时卫星靠近。

  于是当卫星进入一条椭圆轨道时,那么如果你需要它的远地点更高一点,近地点速度(一般也就是入轨速度)就必须更快一点。这也就是“轨道越高速度越快”。请注意,这与“轨道越高环绕速度越小”并不矛盾,因为近地点速度是一定大于环绕速度的。

  为了节省燃料,火箭一般不会一次性把卫星送入预定轨道(除非轨道很低),而是先进入一个停泊轨道或者转移轨道,然后通过多次变轨将卫星送入预定轨道,这种变轨有时由卫星自己完成,有时由火箭完成。由火箭完成的变轨过程有时会被误认为是一次性送入,实际上不是那么简单。

  近地点加速之后卫星从圆轨道进入一个椭圆转移轨道,这时它的近地点在低轨道上,近地点速度大于环绕速度;远地点在高轨道上,远地点速度小于环绕速度。

  远地点加速后,卫星的远地点速度等于环绕速度,这时近地点被抬高,轨道从椭圆轨道变成圆轨道。

  通过计算我们会发现,卫星在低轨道上的环绕速度比高轨道时要快,但两次变轨都是加速。这是因为卫星在从近地点向远地点运动的过程中,动能不断的转化为重力势能,加速度变轨过程是一个机械能增加的过程。

  以发射同步卫星为例,火箭先进入高度为200千米的圆轨道(低地球轨道LEO),这时速度大约7790米/秒。

  然后三级火箭二次点火,速度加速到大约10240米/秒,卫星进入近地点200千米,远地点36000千米的大椭圆轨道(同步转移轨道GTO)。

  第三步,卫星运行到远地点时,这时速度下降到1600米/秒左右。远地点发动机点火将卫星速度加速到大约3075米/秒,这时卫星进入高度为36000千米的圆轨道(地球同步轨道GEO)。

  所以,如果你需要进入一个高轨道,那么就需要比进入低轨道更高的入轨速度,首先使卫星进入一个远地点足够高的椭圆轨道,然后在远地点加速变轨,才能进入预定的轨道。

  如例子所示,如果你要进入高度为200千米的圆轨道,那么入轨速度就需要达到7790米/秒。你要进入高度为36000千米的圆轨道,表面上只需要3075米/秒的入轨速度。但进入36000千米轨道实际上要在200千米轨道的基础上进行两次加速,速度增量超过3900米/秒。或者直接由火箭将卫星速度打到10240米/秒,然后在远地点进行一次增量为1500米/秒的加速,才能进入轨道。

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