人造卫星的轨道转换分析论文_张志坚

人造卫星的轨道转换分析论文_张志坚

摘要:人造卫星的轨道转换问题,是指是卫星研究中的重要工作,也是一类比较困难的研究问题,人造卫星轨道转换时,受到射程、转轨、速率、能量等因素的影响,增加了轨道转换控制的难度。本文主要探讨人造卫星轨道转换的相关内容。

关键词:人造卫星;轨道;转换

人造卫星的轨道转换问题,属于科学研究的关键技术,卫星发射期间,速率变化明显,导致轨道转换存有不稳定的情况,必须规划好人造卫星的轨道,才能保障转换的稳定性与准确性,完善人造卫星的轨道转换,提高卫星运行的效率。

一、人造卫星发射与轨道转换的关系

人造卫星与地球表面的距离比较远,高度达到了36000km,现阶段,人造卫星发射时,经常采取变轨发射的方法,掌握人造卫星发射与轨道转换的关系,才能保障后期轨道转换的合理性与稳定性,以免出现偏离轨道的问题[1]。人造卫星从地球表面发射时,卫星的运行轨道,最先要进入200km~300km的高度区域内,沿着运行轨道,进入平稳的运行状态,在此基础上,卫星运行到赤道的平面时,点燃末级的火箭,向人造卫星提供运行动力,推动卫星,进入大椭圆轨道,轨道转换点,必须在距离赤道上空36000km的位置。人造卫星在轨道上运行时,如果要达到远地点,就要启动人造卫星上自带的发动机,利用发动机,提供变轨动力,完成同步轨道运行的过程。人造卫星发射与轨道转换关系的研究过程中,一定要注意,人造卫星并不是始终处于匀速圆周的状态,其需要发射的速度,完成轨道转换,经过轨道转换后,在运行轨道上,达到运行平衡的状态。

二、人造卫星轨道转换中能量、速率分析

能量和速率,是人造卫星轨道转换时的重要因素,从人造卫星轨道转换上,分析能量与速率的变化关系。

1、能量

人造卫星轨道转换时,遵循能量守恒的原则,重点分析轨道转换过程中,人造卫星的能量变换,如:人造卫星,从近地轨道,转换到远地轨道时,借助点火加速的条件,从能量守恒的角度来分析,机械能增加,点火的内能,会转换为人造卫星的动能,促使人造卫星具有轨道转换的能量,进而变换到新的轨道中,人造卫星能量分析中,其克服引力做功时,速度会减小,此时动能会转换为势能,促进卫星变轨后的稳定运行[2]。人造卫星在地球上方轨道中,做圆周运动,其能量中,分为两种机械能,分别是动能和万有引力势能,轨道变换的条件就是改变机械能,通过改变动能的方法,实现卫星轨道变换,例如:人造卫星在圆周运行轨道中,从近地点变为远地点轨道,机械能守恒的条件下,卫星与地球表面的距离变大,此时人造卫星需要把动能转换成重力势能,动能减少,引力势能会增加,近地点和远地点,始终遵循机械能守恒的原则,改变动能和势能,完成轨道变换。

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2、速率

人造卫星保持匀速圆周的运行状态时,掌握卫星的实际速度,人造卫星转换轨道时,就要具备一定的动力速度,而且速度必须大于匀速圆周时的运行速度,此时就要利用火箭点火的方式,提供大于原有运行速率的速度,也就是在轨道转换时,向人造卫星提供第二宇宙速度,此时轨道转换位置的卫星,向心力超过万有引力,推动人造卫星离心运动,在该速率的作用下,完成一次轨道转换。

人造卫星运动和离心的过程中,来自于地球的万有引力与速度相反,属于做负功的状态,引力不变,在引力作用下,人造卫星的速率逐渐降低,速度变化后,速度方向和万有引力无法垂直,人造卫星需在新轨道上,运行一段时间后,才能达到圆周运行的状态[3]。人造卫星轨道转换时,速率和万有引力的垂直点位置,人造卫星的速度,要小于轨道的要求速度,该条件下,促使人造卫星在万有引力下,保持向心运动的状态,人造卫星改变了大椭圆的运行状态,进入匀速圆周的运行状态,此类轨道转换的过程比较复杂,受速率影响比较大。

人造卫星轨道转换中,速率是不可忽视的因素,利用人造卫星的速率,人造卫星在大椭圆轨道中,选择任意点,就可以完成轨道变换,大椭圆轨道中,近地点、远地点位置,人造卫星是圆形的运行状态,为了维持平稳的轨道运行,就要在近地点减速、远地点加速,明确速率与轨道转换的关系,通过速率,调整人造卫星的轨道转换方式。

三、人造卫星轨道转换的运动过程

人造卫星的运行轨道转换中,涉及到从低轨道到高轨道、高轨道到低轨道等状态,改变人造卫星的速率和能量,实现轨道转换的运动过程。人造卫星轨道转换的运行过程中,也存在一些不稳定的因素,针对卫星的运行,提出空间运动正规化的要求,目的是解决人造卫星轨道转换中的运动问题,维持稳定、高效的运动方式。从人造卫星轨道转换路径上,其运动过程可以分为一般轨道、对地静止轨道、太阳同步轨道,不同的轨道,其运动过程也存在差异,人造卫星到运行轨道的过程中,分为发射轨道、入轨点以及运行轨道,当人造卫星进入到运行轨道后,才可完成卫星发射的过程,而轨道变换,就是发生在人造卫星的寿命期内。

人造卫星轨道转换的运行过程中,其可分为顺行轨道和逆行轨道两种。顺行轨道中,人造卫星距离地球比较近,也就是在近地轨道上运行、转换,轨道倾角低于90°,在转换卫星轨道时,除了考虑速率和能量外,也要注意交叉的处理,以免人造卫星偏离正常的轨道,确保轨道转换的准确性。逆行轨道,轨道倾角高于90°,卫星到逆行轨道的转换,规定了火箭点火发射的速率,必须是西南方向,为了完成逆行轨道转换,还要克服地球的自传影响,此类轨道转换,常见于太阳同步轨道中,期间能量损耗比较大。人造卫星轨道转换的运行过程中,不确定因素比较多,全面了解人造卫星的轨道运行后,设计轨道转换的方案,把控好轨道转换的实践操作,确保轨道转换的高效性,提高人造卫星的轨道运行水平。

结束语:

人造卫星从发射到运行的过程中,都要注重轨道转换,确保人造卫星在轨道中的可靠性及安全性,提高轨道转换的质量,消除潜在的风险问题。不同类型的人造卫星,轨道转换的情况也不同,灵活研究人造卫星的轨道转换,提升人造卫星运行的质量和水平。

参考文献:

[1]伍青松.人造卫星的轨道转换[J].考试周刊,2014,(84):136.

[2]周垂红.环绕型探测器轨道力学及其在航天任务中的应用[D].南京大学,2013.

[3]成璇.基于正规化的轨道研究[D].中国科学院研究生院(国家授时中心),2015.

论文作者:张志坚

论文发表刊物:《科技中国》2017年9期

论文发表时间:2018/2/9

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