專題4：衛(wèi)星的變軌問題

專題4：衛(wèi)星的變軌問題視頻欣賞問題與思考衛(wèi)星能不能像第二幅圖那樣從地球直奔月球，而不需要變軌呢？010203目錄如何變軌變軌類型為何變軌04變軌實質(zhì)第一部分：為何變軌原因一：節(jié)能

直接飛到月球可能是最快的方式，但目前的科技很難做到。目前的方案是首先進入地球軌道，然后通過點燃三級火箭逐級將飛船推入地月轉(zhuǎn)移軌道，飛船與三級火箭脫離，依靠月球的引力飛向月球。這樣利用地球、月球引力不斷加速變軌的措施，可以使飛船節(jié)省大量燃料，也更利于登月艙著陸。正如汽車爬山一樣，為了克服阻力需要汽車發(fā)動機持續(xù)大功率輸出。持續(xù)高功率輸出會加重汽車發(fā)動機的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時甚至損毀。所以人們用盤山公路來解決汽車爬坡問題。原因二：發(fā)動機火箭也是一樣，不過它不僅考慮發(fā)動機輸出功率的問題，還要考慮燃料分配等很多問題。原因二：發(fā)動機

發(fā)射火箭不僅要有足夠的燃料，還要能對火箭的飛行過程進行有效的測量和控制。有效測控點越多，測控精度就越高，發(fā)射過程也就越可控。比如前期的入軌精度，真可謂差之毫厘謬之千里。原因三：測控要求

如果直飛月球，測控點會減少很多，測控精度必然下降，地面控制中心很難控制飛船轉(zhuǎn)軌和變軌精度。正是由于測控技術(shù)的限制，飛船在環(huán)月軌道停留的時間要比環(huán)地軌道停留的時間大很多。原因三：測控要求

發(fā)射窗口（Launchwindow）是指比較合適運載火箭發(fā)射的一個時間范圍（即允許運載火箭發(fā)射的時間范圍）。

這個范圍的大小也叫發(fā)射窗口的寬度。窗口寬度有寬有窄，寬的以小時計，甚至以天計算，窄的只有幾十秒鐘，甚至為零。原因四：發(fā)射窗口衛(wèi)星的發(fā)射過程又是如何變軌的呢？第二部分：如何變軌一、變軌視頻演示二、變軌原理離心運動無動力運行向后點火加速勻速圓周運動向前點火減速近心運動三、變軌過程1——低軌到高軌·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ離心運動離心運動低圓軌道(Ⅰ)——P點加速橢圓轉(zhuǎn)移軌道(Ⅱ)——Q點加速高圓軌道(Ⅲ)v3v41v1v2減速，v3>v223θ＞900vF引加速v2>v1加速v4>v3切點P切點Q三、變軌過程2——高軌到低軌·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ近心運動近心運動低圓軌道(Ⅲ)——Q點減速橢圓轉(zhuǎn)移軌道(Ⅱ)——P點減速高圓軌道(Ⅰ)三、變軌過程2——高軌到低軌衛(wèi)星的回收演示四、變軌過程的加速度設(shè)衛(wèi)星在軌道Ⅰ通過P的加速度是a1，Ⅱ軌道通過P的加速度是a2,Ⅱ軌道通過Q的加速度為a3，Ⅲ軌道通過Q的速度為a4·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ五、實例探究1——發(fā)射變軌【典例1】2022年11月，“天舟五號”貨運飛船僅用2小時就與“天宮”空間站快速交會對接，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。飛船從預(yù)定軌道Ⅰ的A點第一次變軌進入橢圓軌道Ⅱ，到達橢圓軌道的遠地點B時，再次變軌進入空間站的運行軌道Ⅲ，與空間站實現(xiàn)對接，假設(shè)軌道Ⅰ和Ⅲ都近似為圓軌道，不計飛船質(zhì)量的變化，則飛船（）A．在軌道Ⅰ的線速度大于第一宇宙速度B．在軌道Ⅰ上的運行周期小于空間站的運行周期C．第一次變軌需瞬間加速，第二次變軌需瞬間減速D．從橢圓軌道Ⅱ的A點運動到B點，動能增加【參考答案】B五、實例探究2——著陸變軌【典例2】（多選）2021年5月15日7時18分，“天問一號”探測器成功著陸于火星，我國首次火星探測任務(wù)著陸火星取得成功?！疤靻栆惶枴卑l(fā)射后經(jīng)過地火轉(zhuǎn)移軌道被火星捕獲，進入環(huán)火星圓軌道，經(jīng)變軌調(diào)整后，進入著陸準(zhǔn)備軌道，如圖所示。已知“天問一號”火星探測器的火星著陸準(zhǔn)備軌道是半長軸為a1．周期為T1的橢圓軌道，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中圓地球軌道衛(wèi)星的軌道半徑為r2，周期為T2，引力常量為G。則下列說法正確的是（

）A．B．“天問一號”在A點從環(huán)火星圓軌道進入著陸準(zhǔn)備軌道時需要開啟發(fā)動機向前噴氣C．“天問一號”在環(huán)火星圓軌道上A點的加速度大于在著陸準(zhǔn)備軌道上A點的加速度D．由題目已知數(shù)據(jù)可以估算出火星的質(zhì)量【參考答案】BD五、實例探究3——修正變軌【典例3】（多選）2021年7月和10月，SpaceX公司星鏈衛(wèi)星兩次侵入中國天宮空間站軌道，為保證空間站內(nèi)工作的三名航天員生命安全，中方不得不調(diào)整軌道高度，緊急避碰。2021年10月19日至23日，美國星鏈2305持續(xù)軌道變化，中國空間站于10月21日3點16分進行變軌規(guī)避風(fēng)險。圖示為10月20日至23日期間星鏈2305和中國空間站的軌道距離地面高度數(shù)據(jù)圖。假設(shè)除開變軌過程，中國空間站在不同高度軌道上都是繞地球進行勻速圓周運動，則下列說法正確的是（）A．10月21日3點16分，發(fā)動機向前噴氣使得中國空間站速度減小B．中國空間站在10月22日運行的向心加速度小于其在10月20日運行的向心加速度C．中國空間站在10月22日運行軌道的周期大于其在10月20日運行軌道的周期D．中國空間站與地球的連線和星鏈2305與地球的連線在相同時間內(nèi)掃過相同的面積【參考答案】BC五、實例探究4——空間對接【典例4】2022年11月3日，長征五號B運載火箭將夢天實驗艙送入預(yù)定軌道。之后，夢天實驗艙成功與天和核心艙對接，標(biāo)志著我國空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成。天和核心艙繞地球穩(wěn)定運行時距離地球表面約400km，已知地球半徑約為6400km，且地球表面的重力加速度

，由以上信息可知，下列說法不正確的是（）A．長征系列火箭發(fā)射時，是靠噴出氣流的反沖作用獲得巨大速度，則同一火箭噴出相同質(zhì)量氣體時，噴出氣流的速度越大，火箭獲得的速度就越大B．天和核心艙在軌穩(wěn)定運行時，其速度可能等于11.2km/sC．天和核心艙的軌道比地球同步衛(wèi)星的軌道低D．夢天實驗艙要和在軌的天和核心艙對接，是將實驗艙發(fā)射到較低的軌道上，然后使其加速實現(xiàn)與核心艙對接【參考答案】B1.飛船先在比空間站低的軌道運行，運行到某位置時，加速后到一個橢圓軌道。2.控制使飛船跟空間站恰好同時運行到兩軌道的相切點。3.此時空間站通過機械手臂“抱住”飛船，便可實現(xiàn)對接，如圖示?？臻g站飛船五、實例探究4——空間對接第三部分：兩種變軌類型漸變與突變一、漸變由于某種因素（如受到稀薄大氣的阻力作用或外界引力等）的影響,使衛(wèi)星的軌道半徑發(fā)生緩慢的變化（逐漸減小或逐漸增大），由于半徑變化緩慢，衛(wèi)星的運動仍可以當(dāng)做勻速圓周運動處理。二、突變根據(jù)發(fā)射需要，有時要在適當(dāng)?shù)奈恢枚虝r間啟動飛行器上的發(fā)動機，使飛行軌道發(fā)生突