人造卫星的发射、变轨与制动

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1、人造卫星的发射、变轨与制动　　人造卫星一旦进入预定轨道后，在没有其他外力的干预下，通过与中心天体的万有引力提供向心力绕中心天体做圆周运动.人造卫星从升空进入预定轨道，到变轨进入工作轨道，再通过制动返回地面，这一系列的过程都是通过控制中心与卫星的自控导航系统来完成的.卫星只有进入轨道在无外界干预的情况下其运动规律才能用天体运动规律解释，因此研究卫星的发射、变轨及制动的过程原理，对于清楚的研究卫星运动规律，有效运用天体知识分析卫星的运动是很有必要的.　　1人造卫星的发射　　众所周知，人造卫星要想绕地球做匀速圆周运动需要具备一定的初速

2、度，且卫星在不同的轨道上运转其速度是不一样的，由相关知识可以知道，卫星在某轨道上运行的线速度v与轨道半径r存在以下数量关系：v=GM/r，即半径r越大，对应的线速度越小，最大的环绕速度是地面附近运行的人造卫星，它的数值是7.9km/s，这个速度也叫第一宇宙速度.如果超过这个速度而小于地球的脱离速度11.2km/s，卫星将做离心运动，由于克服地球引力做功速度减小，卫星将以较小的速度在离地球较远的轨道上继续围绕地球做近似的匀速圆周运动，也就是在地面上发射近地卫星只要达到7.9km/s，卫星即可环绕地球运动；大于7.9km/s而小于1

3、1.2km/s，卫星仍在离地球较远的轨道上做圆周运动.从这个意义上讲在地面附近发射近地卫星更容易，因为近地卫星发射速度最小，其速度为7.94km/s，离地面较远轨道上运行的卫星其发射速度要大于7.9km/s.实际上发射卫星是需要时间的，在地面附近是很难在短时间内发射近地卫星的，因为卫星在没有达到7.9km/s的速度早已坠地，再说就是发射了这么一颗卫星，一是卫星离地面近视野窄，没有实用价值；二是由于空气的阻力会使卫星的表面温度很高，卫星难以承受高温，且由于阻力很大卫星很容易落到地面.真正意义的人造卫星其运行轨道需要距地面一定高度，

4、才具有实用价值.人造卫星的发射是通过运载火箭的大推力发动机来实现，开始时速度较小，由于推力很大，再加上运行过程一级、二级、三级火箭的脱落总体质量变小，其加速度会很大，速度增加很快，在较短时间内卫星可获得很大速度，在卫星升空的同时再通过调解火箭飞行倾角，使其逐渐减小，最终进入预定轨道，一旦进入预定轨道在不变轨的情况下，卫星将会绕地球做圆周运动.卫星要想进入工作轨道卫星要开动携带的推力发动机，通过调节速度达到变轨的目的，定轨后推力发动机是关闭的.变轨过程由于卫星要有外界的动力作用，所以此过程卫星的受力除万有引力外还有火箭的推力或反推

5、力，万有引力不能全面解释卫星运动，卫星只有在固定轨道上不受其他动力的情况下才能用万有引力定律解释卫星运动，即卫星在某点实现变轨，变轨前后的卫星所在的两轨道上是可以用万有引力定律和开普勒定律去解释其运动规律的，并能判定线速度、角速度、周期、向心加速度以及向心力的变化.　　例1航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在A点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ，B为轨道Ⅱ上的一点，如图1所示，关于航天飞机的运动，下列说法中正确的有4　　A.在轨道Ⅱ上经过A的速度小于经过B的速度　　B.在轨道Ⅱ上经过A的速度小于在轨道Ⅰ上经过A的速度　　C.

6、在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期　　D.在轨道Ⅱ上经过A的加速度小于在轨道Ⅰ上经过A的加速度　　分析航天飞机在A点由轨道Ⅰ进入轨道Ⅱ是由于开启了反推力发动机，向前喷气，对卫星做负功动能减小，速度减小，在近地的椭圆轨道上运动，故B正确.A、B两点在椭圆轨道上，由开普勒面积定律知在轨道Ⅱ上经A点速度小于B点速度，故A正确.圆轨道Ⅰ的半径大于椭圆轨道Ⅱ的半长轴，由开普勒周期定律知，椭圆轨道Ⅱ的周期小于圆轨道Ⅰ的周期，故C正确.由万有引力定律知，航天飞机在轨道Ⅰ和轨道Ⅱ上只受地球的万有引力，由卫星在椭圆轨道和圆轨道的A点到地

7、球距离相等，万有引力大小相等，因此两者加速度相等，故D不正确.正确答案为A、B、C.　　2人造卫星的变轨与制动　　人造地球卫星在进入轨道和返回地面的时候少不了进行变轨，如前所述，当卫星的轨道半径变大时，卫星需依靠推力发动机对其做正功，通过速度变大使卫星做离心运动完成.当卫星要返回地面时，卫星要通过开启反推力发动机对其做负功使其速度减小，使卫星做近心运动完成.　　例1就是制动变轨的具体实例，至于卫星因制动到近心轨道上运动速度变大的问题不再赘述.下面重点谈一谈嫦娥三号卫星从发射到落月的一系列过程.如图2所示，嫦娥三号探测器通过运载火

8、箭发射升空，经过约18分钟进入近地点2004km远地点38万千米的地月转移轨道，经过两次轨道修正历经112小时左右，即将进入环月轨道，由于此时嫦娥三号探测卫星速度大于月球的脱离速度2.38km/s，此时在进入环月轨道前需要通过1500-7500N的变推力发动机减