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人造衛星、宇宙飛船(包括空間站)在軌道運行的過程中,常常需要變軌。除了規避「太空垃圾」對其的傷害外,主要是為了保證其運行的壽命。

1 變軌 -詞語解釋

變軌俄證搭載螢火一號火星探測器變軌.
基本解釋

    變軌,改變原有軌跡的統稱。一般指航天器在太空中利用噴射燃料或者其它噴射物,使航天器從一個固定或本身的軌道進入另一個軌道的過程叫變軌。這種變軌分為兩種:(1)共面變軌。指最終軌道面與初始軌道面重合的變軌;(2)空間變軌。指改變軌道面的變軌。變軌需考慮能量耗損和變軌時間的合理選擇。
    變軌,還指列車從某個軌道,變向另一條軌道。是通過手動或電腦控制兩條軌道之間的折岔來進行的。手動控制,在每個變軌點旁都會有一個控制平台,通過扳下扳手,調整折岔即可。電腦控制,在每個控制站中,基本都會有專門控制折岔轉向的電子控制平台,只要輸入指令,電波就會傳到變軌點旁的控制平台內,使其變軌。

詞語分開解釋

變 : 變(變) biàn 性質狀態或情形和以前不同,更改:變調。變動。變法。變為。變革。變更。變通

軌 : 軌(軌) guǐ 車子兩輪之間的距離,其寬度為古制八尺,后引申為車轍。一定的路線:軌跡。軌轍

2 變軌 -衛星變軌

    衛星在軌期間自主改變運行軌道的過程稱為變軌。衛星軌道是橢圓,節省發射火箭燃料的方法,可以先發射到大橢圓軌道,衛星處於遠地點的時候,衛星上面的姿態調整火箭點火,這樣衛星的軌道變成需要的高度。變軌可以多次,這就需要精確計算衛星變軌的時間,由地面指令控制。 
    人造衛星、宇宙飛船(包括空間站)在軌道運行的過程中,常常需要變軌。除了規避「太空垃圾」對其的傷害外,主要是為了保證其運行的壽命。由於受地球引力影響,人造衛星、宇宙飛船(包括空間站)運行軌道會以每天 100米左右的速度下降。這樣將會影響人造衛星、宇宙飛船(包括空間站)的正常工作,常此以久將使得其軌道越來越低,最終將會墜落大氣層。 

從動力學角度分析

   當飛船發動機噴氣加速,飛船的速度增加,作圓周運動所需的向心力增加,但是圓周運動所提供的向心力(即萬有引力)不變,飛船將會作離心運動,其運行軌道將提升,速度將會減小。 

從能量角度分析

    在這裡我們來作以下的估算:設人造衛星的質量為2噸,原軌道半徑為342.8公里,現變軌到349公里。該人造衛星的重力勢能增加值為(假設該過程中重力加速度值無變化,且值為10米/秒2)在這個過程中該人造衛星的動能減少值為(萬有引力恆量G = 6.67×10-11牛.米2/千克2,地球質量M = 5.98×1024千克) 
    由以上估算可以看出——該人造衛星在變軌(由低軌道升至高軌道)的過程中,重力勢能增加值遠遠大於動能減少值。也就是說,在變軌過程中,發動機消耗的能量E主要是為了增加人造衛星的重力勢能。據能量守恆關係,有 E + ΔEK = ΔEP,也就是說人造衛星調整到高軌道是以動能的損失和發動機消耗能量為代價來增加其重力勢能。 
    變軌之後,飛船做勻速圓周運動的軌道半徑增大!

怎樣把衛星發射到軌道上去

    有兩種方法。以地球同步衛星為例。一種是直線發射,由火箭把衛星發射到三萬六千公里的赤道上空,然後做九十度的轉折飛行,使衛星進入軌道。另一種方法是變軌發射,即先把衛星發射到高度約二百公里~三百公里的圓軌道上,這條軌道叫停泊軌道,當衛星穿過赤道平面時,末級火箭點火工作,使衛星進入一條大的橢圓軌道,其遠地點恰好在赤道上空三萬六千公里處,這條軌道叫轉移軌道,當衛星到達遠地點時,再開動衛星上的發動機,使之進入圓形同步軌道,也叫靜止軌道。第一種發射方法,在整個發射過程中,火箭都處於動力飛行狀態,要消耗大量燃料,還必須在赤道上設置發射場,有一定的局限性。第二種發射方法,運載火箭消耗的燃料較少,發射場的位置也不受限制。目前各種發射同步衛星都用第二種方法,但這種方法在操作和控制上都比較複雜。

嫦娥一號的發射步驟
變軌嫦娥衛星變軌分三次進行

    嫦娥衛星變軌分三次進行,如圖所示。
    第一次,「嫦娥一號」衛星發射后首先被送入一個地球同步橢圓軌道,這一軌道離地面最近距離為500公里,最遠為7萬公里。探月衛星用26小時環繞此軌道一圈。

    第二次,通過加速再進入一個更大的橢圓軌道,距離地面最近距離500公里,但最遠為12萬公里,需要48小時才能環繞一圈。此後,探測衛星不斷加速,開始「奔向」月球,大概經過83小時的飛行,在快要到達月球時,依靠控制火箭的反向助推減速。

    第三次,在被月球引力「俘獲」后,成為環月球衛星,最終在離月球表面200公里高度的極地軌道繞月球飛行,開展拍攝三維影像等工作。

    衛星奔月總共大約需要157個小時,距離地球接近38.44萬公里。

    為什麼「嫦娥一號」衛星首次變軌選擇在遠地點進行呢?在對衛星的運行軌道實施變軌控制時,一般選擇在近地點和遠地點完成,這樣做可以最大限度地節省衛星上所攜帶的燃料。嫦娥一號衛星的首次變軌之所以選擇在遠地點實施,是為了抬高衛星近地點的軌道高度,只有在遠地點變軌才能抬高近地點的軌道高度。同樣的道理,要改變遠地點的高度就需要在近地點實施變軌。

3 變軌 -開普勒定律

開普勒第一定律開普勒第一定律
開普勒第一定律

飛船(衛星)繞地球在橢圓軌道上運行時,由開普勒第一定律可知,地球位於衛星橢圓軌道的一個焦點上,如圖所示。
飛船在軌道上的兩個特殊位置A為近地點,B為遠地點,所受萬有引力的方向與飛船線速度的方向垂直;飛船在橢圓軌道上的其它各個位置(如C位置)所受的萬有引力方向不與線速度方向垂直。無論在哪個位置,所受到的萬有引力都不等於衛星在該點所需要的向心力,故飛船在橢圓軌道上運行時線速度的大小和方向均不斷發生變化。

開普勒第二定律

在近地點A處,由開普勒第二定律知,飛船的速度較大,地球對飛船的萬有引力小于飛船做半徑為Ra的圓周運動所需的向心力,故飛船做離心運動,軌跡是橢圓,隨著到地心的距離增大,萬有引力減小,飛船克服萬有引力做功,引力勢能增大,動能減小,速度減小。

飛船由遠點B向近地點A運動時,地球對飛船的萬有引力大於它繞地球做半徑為Rb的圓周運動時所需向心力,飛船做向心運動。

飛船運動到橢圓軌道上的一般位置(如C處)時,所受萬有引力的方向與速度方向不垂直,可將萬有引力分解為沿速度方向的切向分力和垂直於速度方向上的法向分力,切向分力使飛船加速或減速,法向分力使飛船速度方向改變。

當飛船沿橢圓軌道運動到近地點A時,若飛船向前噴氣,使飛船減速到繞地心做圓周運動所需的向心力剛好等於飛船在A所受地球的萬有引力,則飛船由橢圓軌道變為半徑為Ra的圓軌道;反之,當飛船沿半徑為Ra的圓軌道運動到A點時,若飛船向後噴氣而使飛船加速,萬有引力不足以提供飛船繞地球做圓周運動的向心力,飛船將沿橢圓軌道做離心運動。同理,當飛船沿橢圓軌道運動到B點時,若飛船向後噴氣,使飛船加速到繞地心做圓周運動所需的向心力剛好等於在B點時的萬有引力時,飛船將由橢圓軌道變為以地心為圓心,以Rb為半徑的圓軌道運動;反之,當飛船沿半徑為Rb的圓軌道運動到B點時,若飛船向前噴氣而使飛船減速,萬有引力大於作圓周運定所需要的向心力,飛船將沿橢圓軌道做向心運動。

當飛船沿橢圓軌道運動到C點時,將此時速度分解為沿萬有引力方向和垂直於萬有引力方向兩個分速度,若向前或向後噴氣使與引力方向在同一直線方向的分速度恰好減為零,此時若垂直於引力方向的分速度恰好滿足飛船繞地心做圓周運動所需的向心力等於飛船所受的萬有引力,則飛船由橢圓軌道變為半徑為Rc的圓軌道,反之,當飛船沿半徑為Rc的圓軌道運動到C點時,若飛船向遠離地球方向或向著地球方向噴氣而獲得沿半徑方向的分速度,則合速度方向不與萬有引力方向垂直,飛船從圓軌道變為C點的橢圓軌道。

4 變軌 -視頻

 

實拍螢火一號火星探測器發射全過程

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