人造衛(wèi)星基本原理

1、人造衛(wèi)星的基本原理參考、摘錄自王岡 曹振國人造衛(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)繞地球作圓周運動，那么必須使得物體的速度達到第一宇宙速度。如果衛(wèi)星所需的向心力恰好和其所受萬有引力相等，則它將作圓周運動。若其所需向心力大于地球引力，這是物體的運動軌跡就變成橢圓軌道了。物體的速度比環(huán)繞速度（作圓周運動時的速度）大得越多，橢圓軌道就越“扁長”，直到達到第二宇宙速度，物體便沿拋物線軌道飛出地球引力場之外。因為發(fā)射衛(wèi)星和飛船時，入軌點的速度控制不可能絕對精確，速度大小的微小偏離，和速度方向與當?shù)氐牡厍蛩椒较蜷g的微小偏差，都會使航天器的軌道不是圓形二是橢圓形，橢圓扁率取決于入軌點的速

2、度大小和方向。地球發(fā)射速度7.9km/s-圓軌道發(fā)射速度>7.9km/s-橢圓軌道發(fā)射速度>11.2km/s-拋物線發(fā)射速度>16.7km/s-雙曲線二、衛(wèi)星運動軌道的幾何描述盡管開普勒定律闡明的是行星繞太陽的軌道運動，它們可以用于任意二體系統(tǒng)的運動，如地球和月亮，地球和人造衛(wèi)星等。假定地球中心O在橢圓的一個焦點上a橢圓的半長軸b橢圓的半短軸c偏心距，即橢圓焦點到對稱中心的距離。e偏心率 fabApPeo衛(wèi)星bEcPe近地點Ap遠地點P半通徑Y(jié)w軸與橢圓交點的坐標f真近點角，近地點和遠地點之間連線與衛(wèi)星向徑之間的夾角E偏近點角只要知道了衛(wèi)星運行的橢圓軌道的幾個主要參數(shù)：a，e

3、等，衛(wèi)星在橢圓軌道上任一點（r）處的速度就可以計算出來： 其中=GM（地心萬有引力常數(shù)）橢圓軌道上任一點處的向徑r為：近地點向徑：遠地點向徑：所以，近地點r最小，衛(wèi)星速度最大遠地點r最大，衛(wèi)星速度最小衛(wèi)星或飛船入軌點處的速度，通常就是近地點的速度，這個速度一般要比當?shù)氐沫h(huán)繞速度要大；而橢圓軌道上遠地點速度則比當?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，所以又因為，所以： 這就是運行軌道的環(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)星在特定時刻所處的位置，人們通常用一些特殊的量來描述，這些“量”被稱為“軌道參數(shù)”，

4、最常用的是經(jīng)典軌道常數(shù)，即開普勒軌道常數(shù)，用來描述在空間中的衛(wèi)星的軌道?？梢杂眠@些常數(shù)遞推出衛(wèi)星在過去或?qū)淼奈恢?。有以下六個：1軌道傾角 i赤道平面與衛(wèi)星軌道平面間的夾角2升交點赤經(jīng)從春分點（以地球為中心觀察:太陽從南半球王北半球運動時，跟地球赤道平面相交的點）到衛(wèi)星升交點（衛(wèi)星由南半球往北半球穿過赤道平面的那一點，反之為降交點）的經(jīng)度。3近地點幅角地心與升交點連線 和 地心與近地點連線 間的夾角4橢圓半長軸a5橢圓偏心率e6衛(wèi)星通過近地點的時刻t前5個參數(shù)實際描述了3個問題：軌道平面在空間中的方位；橢圓軌道在軌道平面中的取向（長軸指向）；橢圓軌道的形狀和大小。四、人造衛(wèi)星的周期 由開普勒第

5、三定律可知：運行周期的長短與半長軸有關(guān)，與半短軸無關(guān)即：大致可以這樣說：距地面高度180500km 運行周期約90分鐘 距地面高度1 萬 km 運行周期約6小時距地面高度3.6萬 km 運行周期約24小時 運行周期為24小時的衛(wèi)星叫“同步衛(wèi)星”相對地面靜止（運轉(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，仍然會對衛(wèi)星的運行形成阻力，使它不斷降低運行高度，以至最終進入稠密大氣層銷毀。所以，簡單的說，軌道越高，真空度越高，衛(wèi)星的運行壽命也就越長。（有效壽命工作時間還受星上設(shè)備元件等影響，所以，衛(wèi)星真正實用的時間多這幾

6、年，少者只有幾天甚至更少）六、人造衛(wèi)星的常用軌道1圓軌道（用于把人造天體作為空間觀測站、基準點和中繼站的場合偵查、氣象、地球資源勘測、測地、導航、通信等）要把人造衛(wèi)星發(fā)射到圓軌道，必須同時滿足兩個條件（1） 速度正好等于入軌點處的當?shù)丨h(huán)繞速度（2） 速度方向同入軌點處的地平線平行如果，入軌點的速度大于該點環(huán)繞速度，衛(wèi)星將進入橢圓軌道，入軌點成為近地點；入軌點如果，入軌點的速度小于該點環(huán)繞速度，衛(wèi)星將進入橢圓軌道，入軌點成為遠地點，其近地點過低，一旦低于100km，進入大氣層，就會導致發(fā)射失敗。入軌點如果入軌點的速度等于該點環(huán)繞速度，但方向發(fā)生偏離，軌道也將成為橢圓，入軌點既不是近地點也不是遠地

7、點，在這種情況下，無論速度方向片上還是偏下，近地點都將低于入軌點，方向偏得越多，低得就越多，導致發(fā)射失敗的危險就越大。入軌點2橢圓軌道（常用于科學探測衛(wèi)星）發(fā)射橢圓軌道的方法同樣是控制入軌點的速度。入軌點的高度取近地點高度，也就是人造衛(wèi)星在近地點入軌發(fā)射比較方便。根據(jù)軌道的近地點和遠地點的要求計算入軌速度。3地球同步軌道（零傾角，高度為35 800km，最適合地面遠距離通話、電視轉(zhuǎn)播等通信衛(wèi)星和導彈預(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雜，其發(fā)射過程可分為三步。（1） 運載火箭將衛(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） 當衛(wèi)星經(jīng)過赤道時

8、，運載火箭再次工作，使其加速，進入一個遠地點為35800km的橢圓軌道轉(zhuǎn)移軌道（非常扁，與赤道平面有傾角），并與火箭分離（3） 當衛(wèi)星正好穿過赤道平面時，由衛(wèi)星上的遠地點發(fā)動機調(diào)整衛(wèi)星的速度，再次加速并同時調(diào)整方向（由于發(fā)動機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)星進入地球同步軌道了4極地軌道（優(yōu)點是覆蓋全球，偵查、導航、氣象、測地、地球資源勘測等應(yīng)用大傾角的軌道和極地軌道）七、失重的環(huán)境長期的星際航行，必須在運周飛船上創(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，環(huán)外壁處的線速度為向心加速度為：（若D=60m，N=6即可和地面上相似）八、人造衛(wèi)星的發(fā)射這種發(fā)射方式是不現(xiàn)實的：沿水平方向發(fā)射，一下子給衛(wèi)星一個第一宇宙速度。原因有三：空氣阻力太大，火箭會在嚴酷的氣動力加熱條件下被燒為灰燼；不可能有這樣的運輸工具；目前，第一宇宙速度還不能在瞬息之間得到。