人造衛(wèi)星基本原理

1、人造衛(wèi)星的基本原理參考、摘錄自一一王岡 曹振國(guó)人造衛(wèi)星原理一、關(guān)于橢圓軌道在地球引力的作用下，要使物體環(huán)繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)， 那么必須使得物體的 速度達(dá)到第一宇宙速度。如果衛(wèi)星所需的向心力恰好和其所受萬(wàn)有引力相等，則 它將作圓周運(yùn)動(dòng)。若其所需向心力大于地球引力，這是物體的運(yùn)動(dòng)軌跡就變成橢 圓軌道了。物體的速度比環(huán)繞速度（作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度）大得越多，橢圓軌道 就越“扁長(zhǎng)”，直到達(dá)到第二宇宙速度，物體便沿拋物線(xiàn)軌道飛出地球引力場(chǎng)之 外。因?yàn)榘l(fā)射衛(wèi)星和飛船時(shí)，入軌點(diǎn)的速度控制不可能絕對(duì)精確， 速度大小的微 小偏離，和速度方向與當(dāng)?shù)氐牡厍蛩椒较蜷g的微小偏差，都會(huì)使航天器的軌道 不是圓形二是橢圓形，橢

2、圓扁率取決于入軌點(diǎn)的速度大小和方向。二、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的幾何描述盡管開(kāi)普勒定律闡明的是行星繞太陽(yáng)的軌道運(yùn)動(dòng)，它們可以用于任意二體系 統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，如地球和月亮，地球和人造衛(wèi)星等。假定地球中心0在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上a橢圓的半長(zhǎng)軸b橢圓的半短軸真近點(diǎn)角，近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)之間連線(xiàn)與衛(wèi)星向徑之間的夾角E偏近點(diǎn)角只要知道了衛(wèi)星運(yùn)行的橢圓軌道的幾個(gè)主要參數(shù)：a, e等，衛(wèi)星在橢圓軌道 上任一點(diǎn)(r)處的速度就可以計(jì)算出來(lái):v =叫-) 其中"2 =GM (地心萬(wàn)有引力常數(shù))V r a橢圓軌道上任一點(diǎn)處的向徑r為：r =a(1 ecos E)近地點(diǎn)向徑：口二a(1 e)遠(yuǎn)地點(diǎn)向徑：rA二a(1 e)所以，近

3、地點(diǎn)r最小，衛(wèi)星速度最大v遠(yuǎn)地點(diǎn)r最大，衛(wèi)星速度最小a 1亠ev衛(wèi)星或飛船入軌點(diǎn)處的速度，通常就是近地點(diǎn)的速度，這個(gè)速度一般要比當(dāng) 地的環(huán)繞速度要大；而橢圓軌道上遠(yuǎn)地點(diǎn)速度則比當(dāng)?shù)氐沫h(huán)繞速度要小。圓形軌道可以看成橢圓軌道的特殊情況。即 a=b=r，所以v2又因?yàn)間r ，所以:rvgo R()r這就是運(yùn)行軌道的環(huán)繞速度公式三、人造衛(wèi)星的軌道參數(shù)（軌道根數(shù)）對(duì)于人造地球衛(wèi)星軌道的形狀、大小、在空間的方位以及衛(wèi)星在特定時(shí)刻所處的位置，人們通常用一些特殊的量來(lái)描述，這些“量”被稱(chēng)為“軌道參數(shù)”， 最常用的是經(jīng)典軌道常數(shù)，即開(kāi)普勒軌道常數(shù)，用來(lái)描述在空間中的衛(wèi)星的軌道。 可以用這些常數(shù)遞推出衛(wèi)星在過(guò)去或

4、將來(lái)的位置。有以下六個(gè)：1 軌道傾角i赤道平面與衛(wèi)星軌道平面間的夾角2升交點(diǎn)赤經(jīng)Q從春分點(diǎn)（以地球?yàn)橹行挠^(guān)察：太陽(yáng)從南半球王北半球 運(yùn)動(dòng)時(shí)，跟地球赤道平面相交的點(diǎn)）到衛(wèi)星升交點(diǎn)（衛(wèi)星由南半球往北半球穿過(guò) 赤道平面的那一點(diǎn)，反之為降交點(diǎn)）的經(jīng)度。3. 近地點(diǎn)幅角3 地心與升交點(diǎn)連線(xiàn) 和 地心與近地點(diǎn)連線(xiàn) 間的夾角4. 橢圓半長(zhǎng)軸a5. 橢圓偏心率e6. 衛(wèi)星通過(guò)近地點(diǎn)的時(shí)刻t前5個(gè)參數(shù)實(shí)際描述了 3個(gè)問(wèn)題：軌道平面在空間中的方位；橢圓軌道在軌道平 面中的取向（長(zhǎng)軸指向）；橢圓軌道的形狀和大小。四、人造衛(wèi)星的周期由開(kāi)普勒第三定律可知：運(yùn)行周期的長(zhǎng)短與半長(zhǎng)軸有關(guān)，與半短軸無(wú)關(guān)2即：T 2 =2二-G

5、M大致可以這樣說(shuō)：距地面高度180500km 運(yùn)行周期約90分鐘距地面高度1萬(wàn) km 運(yùn)行周期約6小時(shí)距地面高度3.6萬(wàn)km運(yùn)行周期約24小時(shí)運(yùn)行周期為24小時(shí)的衛(wèi)星叫“同步衛(wèi)星”相對(duì)地面靜止（運(yùn)轉(zhuǎn)方向和地球自轉(zhuǎn)方向相同， 軌道在赤道上空）的同步衛(wèi)星叫“地球同步衛(wèi)星”五、人造衛(wèi)星的壽命在地球的外層空間，即使氣體分子極其稀少，仍然會(huì)對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)行形成阻力， 使它不斷降低運(yùn)行高度，以至最終進(jìn)入稠密大氣層銷(xiāo)毀。 所以，簡(jiǎn)單的說(shuō)，軌道 越高，真空度越高，衛(wèi)星的運(yùn)行壽命也就越長(zhǎng)。（有效壽命一一工作時(shí)間還受星上設(shè)備元件等影響，所以，衛(wèi)星真正實(shí)用的時(shí)間多這幾年， 少者只有幾天甚至更 少）六、人造衛(wèi)星的常用軌道

6、1 圓軌道（用于把人造天體作為空間觀(guān)測(cè)站、基準(zhǔn)點(diǎn)和中繼站的場(chǎng)合一一偵查、氣象、地球資源勘測(cè)、測(cè)地、導(dǎo)航、通信等）要把人造衛(wèi)星發(fā)射到圓軌道，必須同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件（1）速度正好等于入軌點(diǎn)處的當(dāng)?shù)丨h(huán)繞速度（2）速度方向同入軌點(diǎn)處的地平線(xiàn)平行如果，入軌點(diǎn)的速度大于該點(diǎn)環(huán)繞速度，衛(wèi)星將進(jìn)入橢圓軌道，入軌點(diǎn)成為近地點(diǎn)；如果，入軌點(diǎn)的速度小于該點(diǎn)環(huán)繞速度，衛(wèi)星將進(jìn)入橢圓軌道，入軌點(diǎn)成為遠(yuǎn)地點(diǎn)，其近地點(diǎn)過(guò)低，一旦低于 100km,進(jìn)入大氣層，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)射失敗。入軌點(diǎn)如果入軌點(diǎn)的速度等于該點(diǎn)環(huán)繞速度，但方向發(fā)生偏離，軌道也將成為橢 圓，入軌點(diǎn)既不是近地點(diǎn)也不是遠(yuǎn)地點(diǎn)， 在這種情況下，無(wú)論速度方向片上還是 偏下，

7、近地點(diǎn)都將低于入軌點(diǎn)，方向偏得越多，低得就越多，導(dǎo)致發(fā)射失敗的危 險(xiǎn)就越大。2.橢圓軌道（常用于科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星）發(fā)射橢圓軌道的方法同樣是控制入軌點(diǎn)的速度。入軌點(diǎn)的高度取近地點(diǎn)高度，也就是人造衛(wèi)星在近地點(diǎn)入軌發(fā)射比較方便。根據(jù)軌道的近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)的要求計(jì)算入軌速度。3.地球同步軌道 （零傾角，高度為35 800km，最適合地面遠(yuǎn)距離通話(huà)、電 視轉(zhuǎn)播等通信衛(wèi)星和導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星）地球同步衛(wèi)星的發(fā)射比一般圓軌道和橢圓軌道要復(fù)雜，其發(fā)射過(guò)程可分為三步。（1）運(yùn)載火箭將衛(wèi)星送入初始軌道（地高度，軌道平面和赤道面有傾角， 一般在200km左右），（2）當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)赤道時(shí)，運(yùn)載火箭再次工作，使其加速，進(jìn)入一個(gè)遠(yuǎn)地

8、點(diǎn)為35800km的橢圓軌道一一轉(zhuǎn)移軌道（非常扁，與赤道平面有傾 角），并與火箭分離（3）當(dāng)衛(wèi)星正好穿過(guò)赤道平面時(shí)，由衛(wèi)星上的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整衛(wèi)星的 速度，再次加速并同時(shí)調(diào)整方向（由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力所增加的速度與 衛(wèi)星原有速度合成），使速度正好等于地球同步衛(wèi)星所需環(huán)繞速度， 就可以使衛(wèi)星進(jìn)入地球同步軌道了4.極地軌道（優(yōu)點(diǎn)是覆蓋全球，偵查、導(dǎo)航、氣象、測(cè)地、地球資源勘測(cè)等應(yīng)用大傾角的軌道和極地軌道）七、失重的環(huán)境長(zhǎng)期的星際航行，必須在運(yùn)周飛船上創(chuàng)造人工重力。 例如，把飛船做成環(huán)形， 讓它繞中心旋轉(zhuǎn)，在環(huán)的外壁上的人和物受到的力就相當(dāng)于人工重力。如果假定每分鐘轉(zhuǎn) N次，環(huán)的直徑為 D，這時(shí)，環(huán)外壁處的線(xiàn)速度為Nv - :D 602向心加速度為：a=V2（MD）2 =D（竺理）2 （若D=60m, N=6即可和地R D 60260面上相似）八、人造衛(wèi)星的發(fā)射這種發(fā)射方式是不現(xiàn)實(shí)的：沿水平方向發(fā)射，一下子給衛(wèi)星一個(gè)第一宇宙速 度。原因有三：空氣阻力太大，火箭會(huì)在嚴(yán)酷的氣動(dòng)力加熱條件下被燒為灰燼； 不可能有這樣的運(yùn)輸工具；目前，第一宇宙速度還不能在瞬息之間得到。實(shí)際