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什么是人造地球卫星的发射轨道?什么是星际探测器的能量最省航线?航天器的返回轨道有几种?

发布日期:2004年09月08日字体: 【大】【中】【小】

    人造地球卫星由运载火箭发射入轨。从发射点到入轨点的飞行轨迹叫发射轨道。发射轨道包括垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。垂直起飞段和程序转弯段都大同小异,但入轨段根据轨道高度的不同有直接入轨、滑行入轨和过渡转移入轨之分。

  低轨道卫星一般直接入轨,即火箭连续工作,当最后一级火箭发动机关机时,卫星就可进入预定轨道。

  中、高轨道卫星常常滑行入轨。其发射轨道由火箭发动机工作时的主动段、发动机关机后靠惯性飞行的滑行段和发动机再次工作时的加速段组成。

  地球静止轨道卫星常常采用过渡转移轨道入轨。它因火箭的级数不同而有差异。对于三级火箭来说,过程一般如下。

  第一、二级火箭红主动段、停泊轨道和加速段,将卫星连同火箭上面级送入200-400千米的停泊轨道。当飞经赤道上空时火箭上面级点火,把卫星送入近地点与停泊轨道高度相同、远地点为35786千米的大椭圆转移轨道。卫星在转移轨道上运行时,地面测控站要精确测量它的姿态和轨道参数,并随时调整它的姿态偏差。当卫星在预定的点火圈运行到远地点时,地面测控站发出指令,让卫星上的远地点发动机点火,使卫星提高飞行速度,并改变飞行方向,进入地球同步轨道。如要进入地球静止轨道,则需用卫星上的小推力发动机调整它的运行速度,使它慢慢地到达预定的经度上空。这一过程叫卫星定点。

  飞向太阳系其他天体的航天器叫行星控测器。行星控测器的飞行轨迹叫航线(或轨道)。要飞向其他天体,必须达到摆脱地球引力的第二宇宙速度,航行器以抛物线轨迹飞离地球,然后在太阳引力作用下以圆轨道绕太阳飞行。如它大于第二宇宙速度而小于第三宇宙速度,又是沿地球公转方向飞行,由于它比环绕太阳飞行所需要的速度大,因而在近日点入轨后,便在地球轨道外侧的椭圆轨道绕太阳飞行。速度愈大,椭圆轨道愈扁长,到达的距离就愈远。因此,选择不同的初速度,可使探测器到达火星、木星……冥王星等地外行星及其卫星。如果是沿地球公转相反的方向飞行,控测器在远日点入轨后,将在太阳引力作用下在地球轨道内侧的椭圆轨道上绕太阳飞行,可与金星、水星等地内行星相遇。如果达到第三宇宙速度,则它以双曲线轨道飞离地球,而以抛物线轨迹飞离太阳。选择适当的发射时间,它也可与地外行星相遇。

  由上可知,飞向太阳系其他天体的航线(轨道)不只一条。由于各种轨道所要求的初始速度不同,而初始速度最小则能量最省,因而初始速度最小的轨道被称为能量最省轨道。

  飞向行星的能量最省航线只有一条,这就是与地球轨道及目标行星轨道同时相切的双切椭圆轨道。它是奥地利科学家霍曼在1925年首先提出来的,因而又叫“霍曼轨道”。霍曼轨道以太阳为一个焦点,远日点(或近日点)和近日点(或远日点)分别位于地球轨道和目标行星轨道上。轨道的长轴则等于地球轨道半径与目标行星轨道半径之和。

  用能量最省航线飞向远距离行星的时间太漫长,如飞向冥王星约需46年。为节省时间,需采用其他航线,或者在航程中用自备动力加速,或者借助其他行星的引力加速,但这样一来,其轨迹不再是单纯的椭圆、抛物线或双曲线了。飞向月球的航线与飞向行星的航线类似。

  在实际应用中,为了克服火箭发射场地理位置的局限,飞向月球和行星的探测器一般先进入绕地球飞行的过渡轨道,然后在合适的方位上加速进入预定航线。

  有些航天器,如返回式卫星、载人飞船和航天飞机等,在完成任务后要返回地球。从脱离运行轨道到降落地面这一段的飞行轨迹叫航天器的返回轨道。

  根据航天器在返回轨道上所受阻力和升力的情况,其返回轨道可分为弹道式、半弹道式和滑翔式(升力式)。

  弹道式返回轨道。航天器脱离运行轨道进入返回轨道后,在再入大气层时只受阻力作用而不产生升力,因而速度快,空气动力过载大,落点无法调整和控制,可能产生较大的落点偏差。美苏早期的飞船和我国的返回式卫星采用这种返回轨道。

  半弹道式返回轨道。航天器在再入大气层后,除了阻力外,还会产生部分升力。只要适当控制它们的滚动角,就可控制升力方向,小范围地改变飞行路径,适当调整落点距离,使落点比较准确,空气动力过载也较小,一般为4~5g。苏联的联盟号飞船和美国的双子星座号飞船都是采用这种返回轨道。

  滑翔式返回轨道。航天飞机等有很大机翼的飞行器,它们在再入大气层后,会产生很大的升力,因而可以调节纵向和横向距离,准确地降落在跑道上,空气动力过载很小,只有2g左右。

转    自:《叩开太空之门—航天科技知识问答》

本文编辑:闫秋

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