什麼是人造地球衛星的發射軌道?什麼是星際探測器的能量最省航線...

2020-11-23 國家國防科技工業局

       人造地球衛星由運載火箭發射入軌。從發射點到入軌點的飛行軌跡叫發射軌道。發射軌道包括垂直起飛段、程序轉彎段和入軌段。垂直起飛段和程序轉彎段都大同小異,但入軌段根據軌道高度的不同有直接入軌、滑行入軌和過渡轉移入軌之分。

  低軌道衛星一般直接入軌,即火箭連續工作,當最後一級火箭發動機關機時,衛星就可進入預定軌道。

  中、高軌道衛星常常滑行入軌。其發射軌道由火箭發動機工作時的主動段、發動機關機後靠慣性飛行的滑行段和發動機再次工作時的加速段組成。

  地球靜止軌道衛星常常採用過渡轉移軌道入軌。它因火箭的級數不同而有差異。對於三級火箭來說,過程一般如下。

  第一、二級火箭紅主動段、停泊軌道和加速段,將衛星連同火箭上面級送入200-400千米的停泊軌道。當飛經赤道上空時火箭上面級點火,把衛星送入近地點與停泊軌道高度相同、遠地點為35786千米的大橢圓轉移軌道。衛星在轉移軌道上運行時,地面測控站要精確測量它的姿態和軌道參數,並隨時調整它的姿態偏差。當衛星在預定的點火圈運行到遠地點時,地面測控站發出指令,讓衛星上的遠地點發動機點火,使衛星提高飛行速度,並改變飛行方向,進入地球同步軌道。如要進入地球靜止軌道,則需用衛星上的小推力發動機調整它的運行速度,使它慢慢地到達預定的經度上空。這一過程叫衛星定點。

  飛向太陽系其他天體的太空飛行器叫行星控測器。行星控測器的飛行軌跡叫航線(或軌道)。要飛向其他天體,必須達到擺脫地球引力的第二宇宙速度,航行器以拋物線軌跡飛離地球,然後在太陽引力作用下以圓軌道繞太陽飛行。如它大於第二宇宙速度而小於第三宇宙速度,又是沿地球公轉方向飛行,由於它比環繞太陽飛行所需要的速度大,因而在近日點入軌後,便在地球軌道外側的橢圓軌道繞太陽飛行。速度愈大,橢圓軌道愈扁長,到達的距離就愈遠。因此,選擇不同的初速度,可使探測器到達火星、木星……冥王星等地外行星及其衛星。如果是沿地球公轉相反的方向飛行,控測器在遠日點入軌後,將在太陽引力作用下在地球軌道內側的橢圓軌道上繞太陽飛行,可與金星、水星等地內行星相遇。如果達到第三宇宙速度,則它以雙曲線軌道飛離地球,而以拋物線軌跡飛離太陽。選擇適當的發射時間,它也可與地外行星相遇。

  由上可知,飛向太陽系其他天體的航線(軌道)不只一條。由於各種軌道所要求的初始速度不同,而初始速度最小則能量最省,因而初始速度最小的軌道被稱為能量最省軌道。

  飛向行星的能量最省航線只有一條,這就是與地球軌道及目標行星軌道同時相切的雙切橢圓軌道。它是奧地利科學家霍曼在1925年首先提出來的,因而又叫「霍曼軌道」。霍曼軌道以太陽為一個焦點,遠日點(或近日點)和近日點(或遠日點)分別位於地球軌道和目標行星軌道上。軌道的長軸則等於地球軌道半徑與目標行星軌道半徑之和。

  用能量最省航線飛向遠距離行星的時間太漫長,如飛向冥王星約需46年。為節省時間,需採用其他航線,或者在航程中用自備動力加速,或者藉助其他行星的引力加速,但這樣一來,其軌跡不再是單純的橢圓、拋物線或雙曲線了。飛向月球的航線與飛向行星的航線類似。

  在實際應用中,為了克服火箭發射場地理位置的局限,飛向月球和行星的探測器一般先進入繞地球飛行的過渡軌道,然後在合適的方位上加速進入預定航線。

  有些太空飛行器,如返回式衛星、載人飛船和太空梭等,在完成任務後要返回地球。從脫離運行軌道到降落地面這一段的飛行軌跡叫太空飛行器的返回軌道。

  根據太空飛行器在返回軌道上所受阻力和升力的情況,其返回軌道可分為彈道式、半彈道式和滑翔式(升力式)。

  彈道式返回軌道。太空飛行器脫離運行軌道進入返回軌道後,在再入大氣層時只受阻力作用而不產生升力,因而速度快,空氣動力過載大,落點無法調整和控制,可能產生較大的落點偏差。美蘇早期的飛船和我國的返回式衛星採用這種返回軌道。

  半彈道式返回軌道。太空飛行器在再入大氣層後,除了阻力外,還會產生部分升力。只要適當控制它們的滾動角,就可控制升力方向,小範圍地改變飛行路徑,適當調整落點距離,使落點比較準確,空氣動力過載也較小,一般為4~5g。蘇聯的聯盟號飛船和美國的雙子星座號飛船都是採用這種返回軌道。

  滑翔式返回軌道。太空梭等有很大機翼的飛行器,它們在再入大氣層後,會產生很大的升力,因而可以調節縱向和橫向距離,準確地降落在跑道上,空氣動力過載很小,只有2g左右。

轉    自:《叩開太空之門—航天科技知識問答》

本文編輯:閆秋

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