物理卫星问题课件.ppt

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1、美俄卫星相撞陕西省宝鸡市陈仓区教育局教研室邢彦君事件概述美国东部时间2009年2月10日上午11时55分（北京时间2009年2月11日0时55分），美国铱星33卫星与俄罗斯宇宙2251卫星在西伯利亚上空805km高度以25000km/h的速度相撞。从相撞前两星的运行轨道看，它们几乎相向碰撞，相撞后分裂成了大小不一的共280多块碎片，这些碎片中有的飞行速度超过7.9km/s，它们将在太空“傲游”数十年，成为人造航天器的潜在杀手。图1是卫星相撞前的运行轨道及对相撞情形的模拟画面。对相撞情形的模拟图1两星简介俄罗斯宇宙2251卫星，1993年发射，主要用于军事侦察和卫星拦截，轨道

2、倾角74.03o，轨道位置799×776km，质量900kg，已废弃。美国铱星33卫星发射于1997年，主要用于全球通讯，轨道倾角86.39o，轨道位置799×776km，质量560kg，正在服役。两星都属于地球近地轨道卫星。铱星33宇宙2251相撞前的轨道（1）相撞前的轨道（2）两星为什么相撞？（1）本来两星的运行各有各的轨道，它们的运行应该是井水不犯河水，不会在同一时刻走到同一地点，那为什么它们会相撞呢？这主要是由于各种因素的综合作用，引起了它们运行轨道的倾角、高度的变化。这个变化是一个比较慢长的由量变到质变过程。引起变轨的主要原因归纳起来有两方面。一是大气阻力的影响，

3、在距地面700多千米的高度，大气是非常稀薄的，但它对卫星的减速作用的漫长积累效果却是不可忽略的，当卫星速度减到一定程度时就会使卫星运行所需的向心力与地球在该轨道处对它的万有引力不等（前者小于后者），这就必然引起卫星的变轨（向心运动——轨道半径变小），使其偏离设定轨道。两星为什么相撞？（2）二是地球实际上是一个椭球，各处密度也不一样。这样，卫星运行在轨道上不同位置时，地球对卫星的万有引力并不都在设定的轨道平面上，大小也不恒定，这就使卫星轨道的倾角、高度发生变化，使卫星偏离了设定的轨道。对于近地卫星，运行中轨道的变化是必然的，人们也会通过各种措施对卫星的变轨偏差进行修正，使其保

4、持在设定轨道运行，能正常工作，但偏离了设定轨道的两颗卫星同一时刻走到同一地点相撞确属偶然。两星相撞后的碎片何处去？两卫星相撞后，所产生的280多块碎片将向何处去？是人们普遍关注的问题。碰撞后所产生的碎片具有相当大的速率，刚产生时在原轨道高度，它们所需的向心力跟地球对它的万有引力若相等，它将在这一高度的轨道上沿当时的速度方向以当时的速度绕地球运行；如果它所需的向心力大于（或小于）地球对它的万有引力，它将“离心运动”（或“向心运动”），它的运行轨道半径会增大（或减小），而轨道半径增大或减小又会引起它的速度的变化，当半径、速度的取值使卫星所需的向心力与地球的万有引力相等时，它就会

5、在新的轨道上以新的速度绕地球运行。所以，这些碎片最会将成为地球新的“卫星”，变成没用的垃圾“傲游”太空，一般不会落向地球，即就是落向地球，也会在大气层中烧蚀殆尽。碎片分布模拟如何预防卫星相撞？卫星相撞的原因主要是由于运行中的变轨，卫星偏离了设定的轨道。这样，预防卫星相撞的主要措施就是防范卫星运行中的变轨。一般做法是通过设在地面或太空的卫星观测站，实时跟踪观测卫星的运行，采集各种运行数据，经计算分析，启动卫星上的运行姿态控制发动机或轨道修正发动机，对卫星的轨道偏差及时修正。另一种措施就是对废弃的卫星及时回收，减少太空垃圾，或者对废弃的卫星实施人为变轨，将其“请”到远离人类航天

6、活动的区域。卫星相撞对人类航天活动的启示1.太空立法：建立太空活动新秩序2.建立太空“交通”管制机制：太空“交通”预警与事故规避3.建立航天事故责任追究与赔偿机制案例剖析例：在发射载人航天飞机时，进入轨道后，为了将航天飞机与其后面燃料已耗尽的推进火箭分开，往往要引爆炸药炸断螺栓，并推动两者前后分离。则在此以后A.火箭和航天飞机仍在原轨道上一前一后飞行B.火箭将进入半径较小的低轨道，而航天飞机仍保持原轨道运行C.火箭将保持原轨道运行，而航天飞机将进入半径较大的高轨道D.火箭将进入半径较小的低轨道甚至落地而坠毁，而航天飞机轨道半径将增大解析：引爆炸药炸断螺栓后航天飞机和火箭分离

7、，这一过程中二者系统的动量守恒，由动量守恒定律可知，分离后航天飞机的速度增大，火箭的速度减小。由于航天飞机速度增大，在原轨道运行所需的向心力增大，而地球提供的向心力（万有引力）未变，这样航天飞机发生离心运动，造成轨道半径变大，这一过程中万有引力做负功，又使它的速度减小，由于速度的减小、轨道半径的增大，由向心力公式知，所需向心力随之减小；同时由万有引力公式可知随轨道半径的增大，万有引力也减小，随着两者的减小，当出现二者相等时，航天飞机将在比原轨道半径大的轨道上以比在原轨道运动速度小的速度绕地球运动。由于火箭速度减小，