人造卫星基本原理.doc

1、人造卫星的基本原理参考、摘录自王冈曹振国人造卫星原理一、关于椭圆轨道在地球引力的作用下，要使物体环绕地球作圆周运动，那么必须使得物体的速度达到第一宇宙速度。 如果卫星所需的向心力恰好和其所受万有引力相等，则它将作圆周运动。 若其所需向心力大于地球引力，这是物体的运动轨迹就变成椭圆轨道了。物体的速度比环绕速度（作圆周运动时的速度）大得越多，椭圆轨道就越“扁长”，直到达到第二宇宙速度，物体便沿抛物线轨道飞出地球引力场之外。因为发射卫星和飞船时，入轨点的速度控制不可能绝对精确，速度大小的微小偏离，和速度方向与当地的地球水平方向间的微小偏差，都会使航天器的轨道不是圆形二是椭圆形，椭圆扁率取决于入轨点的

2、速度大小和方向。发射速度 16.7km/s- 双曲线地球发射速度 7.9km/s- 圆轨道发射速度 11.2km/s- 抛物线发射速度 7.9km/s- 椭圆轨道二、卫星运动轨道的几何描述尽管开普勒定律阐明的是行星绕太阳的轨道运动，它们可以用于任意二体系统的运动，如地球和月亮，地球和人造卫星等。假定地球中心 O 在椭圆的一个焦点上a椭圆的半长轴b椭圆的半短轴c偏心距，即椭圆焦点到对称中心的距离。c2a 2b 2e偏心率 ecaPe近地点b卫 星A 远地点aEfpApcoPeb2P半通径 Pa(1 e2 )aYw轴与椭圆交点的坐标f真近点角，近地点和远地点之间连线与卫星向径之间的夹角E偏近点角只

3、要知道了卫星运行的椭圆轨道的几个主要参数：a，e 等，卫星在椭圆轨道上任一点（ r）处的速度就可以计算出来：v( 21 )其中2 =GM（地心万有引力常数）ra椭圆轨道上任一点处的向径r 为： r a(1 ecos E)近地点向径： rpa(1e)远地点向径： rAa(1e)21e所以，近地点 r 最小，卫星速度最大va1e21e远地点 r 最大，卫星速度最小va1e卫星或飞船入轨点处的速度，通常就是近地点的速度，这个速度一般要比当地的环绕速度要大；而椭圆轨道上远地点速度则比当地的环绕速度要小。圆形轨道可以看成椭圆轨道的特殊情况。即a=b=r ，所以v2GMrr2，所以： vgr rg0 R

4、( R1又因为 gr) 2rr这就是运行轨道的环绕速度公式。三、人造卫星的轨道参数（轨道根数）对于人造地球卫星轨道的形状、大小、在空间的方位以及卫星在特定时刻所处的位置，人们通常用一些特殊的量来描述，这些“量”被称为“轨道参数”，最常用的是经典轨道常数， 即开普勒轨道常数， 用来描述在空间中的卫星的轨道。可以用这些常数递推出卫星在过去或将来的位置。有以下六个：1轨道倾角i赤道平面与卫星轨道平面间的夹角2升交点赤经 从春分点（以地球为中心观察 :太阳从南半球王北半球运动时，跟地球赤道平面相交的点） 到卫星升交点 （卫星由南半球往北半球穿过赤道平面的那一点，反之为降交点）的经度。3近地点幅角地心与

5、升交点连线和 地心与近地点连线间的夹角4椭圆半长轴a5椭圆偏心率e6卫星通过近地点的时刻t前 5 个参数实际描述了 3 个问题：轨道平面在空间中的方位； 椭圆轨道在轨道平面中的取向（长轴指向） ；椭圆轨道的形状和大小。四、人造卫星的周期由开普勒第三定律可知：运行周期的长短与半长轴有关，与半短轴无关即： T2a 22GM大致可以这样说：距地面高度 180500km运行周期约 90 分钟距地面高度 1 万km运行周期约 6 小时距地面高度 3.6 万km运行周期约 24 小时运行周期为 24 小时的卫星叫“同步卫星”相对地面静止 （运转方向和地球自转方向相同，轨道在赤道上空） 的同步卫星叫“地球同

6、步卫星”五、人造卫星的寿命在地球的外层空间， 即使气体分子极其稀少， 仍然会对卫星的运行形成阻力，使它不断降低运行高度，以至最终进入稠密大气层销毁。所以，简单的说，轨道越高，真空度越高，卫星的运行寿命也就越长。 （有效寿命工作时间还受星上设备元件等影响， 所以，卫星真正实用的时间多这几年， 少者只有几天甚至更少）六、人造卫星的常用轨道1圆轨道 （用于把人造天体作为空间观测站、基准点和中继站的场合侦查、气象、地球资源勘测、测地、导航、通信等）要把人造卫星发射到圆轨道，必须同时满足两个条件（1） 速度正好等于入轨点处的当地环绕速度（2） 速度方向同入轨点处的地平线平行如果，入轨点的速度大于该点环绕

7、速度，卫星将进入椭圆轨道， 入轨点成为近地点；入轨点如果，入轨点的速度小于该点环绕速度，卫星将进入椭圆轨道，入轨点成为远地点，其近地点过低，一旦低于100km，进入大气层，就会导致发射失败。入轨点如果入轨点的速度等于该点环绕速度，但方向发生偏离，轨道也将成为椭圆，入轨点既不是近地点也不是远地点，在这种情况下， 无论速度方向片上还是偏下，近地点都将低于入轨点，方向偏得越多，低得就越多，导致发射失败的危险就越大。入轨点2椭圆轨道 （常用于科学探测卫星）发射椭圆轨道的方法同样是控制入轨点的速度。入轨点的高度取近地点高度，也就是人造卫星在近地点入轨发射比较方便。根据轨道的近地点和远地点的要求计算入轨速

8、度。3地球同步轨道 （零倾角，高度为 35 800km ，最适合地面远距离通话、电视转播等通信卫星和导弹预警卫星）地球同步卫星的发射比一般圆轨道和椭圆轨道要复杂， 其发射过程可分为三步。（1）运载火箭将卫星送入初始轨道 （地高度，轨道平面和赤道面有倾角，一般在 200km 左右），（2）当卫星经过赤道时，运载火箭再次工作，使其加速，进入一个远地点为 35800km 的椭圆轨道转移轨道（非常扁，与赤道平面有倾角），并与火箭分离（3）当卫星正好穿过赤道平面时，由卫星上的远地点发动机调整卫星的速度，再次加速并同时调整方向（由于发动机推力所增加的速度与卫星原有速度合成），使速度正好等于地球同步卫星所需

9、环绕速度，就可以使卫星进入地球同步轨道了4极地轨道 （优点是覆盖全球，侦查、导航、气象、测地、地球资源勘测等应用大倾角的轨道和极地轨道）七、失重的环境长期的星际航行， 必须在运周飞船上创造人工重力。例如，把飞船做成环形，让它绕中心旋转，在环的外壁上的人和物受到的力就相当于人工重力。如果假定每分钟转N 次，环的直径为D ，这时，环外壁处的线速度为v D N60向心加速度为： av 22( ND)2D ( 2 N ) 2 （若 D=60m，N=6 即可和地RD60260面上相似）八、人造卫星的发射这种发射方式是不现实的：沿水平方向发射，一下子给卫星一个第一宇宙速度。原因有三：空气阻力太大，火箭会在严酷的气动力加热条件下被烧为灰烬；不可能有这样的运输工具；目前，第一宇宙速度还