[科普中国]-变轨

卫星变轨

卫星在轨期间自主改变运行轨道的过程称为变轨。卫星轨道是椭圆，节省发射火箭燃料的方法，可以先发射到大椭圆轨道，卫星处于远地点的时候，卫星上面的姿态调整火箭点火，这样卫星的轨道变成需要的高度。变轨可以多次，这就需要精确计算卫星变轨的时间，由地面指令控制。

人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）在轨道运行的过程中，常常需要变轨。除了规避“太空垃圾”对其的伤害外，主要是为了保证其运行的寿命。由于受地球引力影响，人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）运行轨道会以每天 100米左右的速度下降。这样将会影响人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）的正常工作，常此以久将使得其轨道越来越低，最终将会坠落大气层。

变轨原因动力学角度分析当飞船发动机喷气加速，飞船的速度增加，作圆周运动所需的向心力增加，但是圆周运动所提供的向心力（即万有引力）不变，飞船将会作离心运动，其运行轨道将提升，速度将会减小。

能量角度分析在这里我们来作以下的估算：设人造卫星的质量为2吨，原轨道半径为342.8公里，现变轨到349公里。该人造卫星的重力势能增加值为（假设该过程中重力加速度值无变化，且值为10米/秒2）在这个过程中该人造卫星的动能减少值为（万有引力恒量G = 6.67×10－11牛.米2/千克2，地球质量M = 5.98×1024千克）

由以上估算可以看出——该人造卫星在变轨（由低轨道升至高轨道）的过程中，重力势能增加值远远大于动能减少值。也就是说，在变轨过程中，发动机消耗的能量E主要是为了增加人造卫星的重力势能。据能量守恒关系，有 E + ΔEK = ΔEP，也就是说人造卫星调整到高轨道是以动能的损失和发动机消耗能量为代价来增加其重力势能。

变轨之后，飞船做匀速圆周运动的轨道半径增大。

影响因素转移轨道的确定需要考虑运载火箭能力、卫星测控时间要求、发射场地理位置和发射方向的限制等因素。

一般来说，转移轨道的设计结果，较多地取决于运载能力的大小及发射场纬度。近地点高度主要依赖于运载火箭的能力及测控要求，近地点高度的选取不宜过低，以免大气阻力对卫星轨道和姿态影响过大．一般不低于200 km。轨道倾角的大小与发射场纬度有关系。对于不进行轨道面改变的运载火箭．转移轨道的最小倾角即为发射场纬度．但对于可进行轨道面改变的运载火箭，可利用火箭的余量尽可能压低倾角。远地点高度应至少达到地球同步高度，若运载火箭的能力有余量．可进一步抬高远地点高度，以节省卫星变轨对推进剂的消耗，但是高度也不能无限制地增加，需综合考虑星上测量仪器及测控链路的限制。1

变轨策略变轨策略的设计主要以理论转移轨道、标准发动机的参数及要求的定点经度制定的。并得出变轨次数、每次点火开始时间、点火时间长度、点火方向、消耗推进剂量等设计结果。该结果是进行推进剂预算、制定飞行程序及发射窗口等工作的依据。

在每次点火之前，都需要根据实际轨道的测量结果和变轨精度的标定结果进行变轨策略的调整。1

应用举例“嫦娥一号”卫星从发射到绕月飞行一共要做7次变轨：其中，从围绕地球运转到进入奔月轨道(奔月轨道即地月转移轨道)需要4次变轨，这4次变轨需要加速才能完成i之后，从奔月轨道运行到绕月轨道，还需要3次变轨，这3次变轨要靠制动技术，即减速“刹车”技术：最后一次变轨完成后．“嫦娥一号”卫星将进入绕月飞行的工作轨道：这个轨道为圆形，离月球表面200千米，7次变轨每一次都很重要．任何一次都直接影响整个变轨的效果。

“嫦娥一号”实施变轨是为了节省火箭能量，如果把卫星从地面直接发射到绕月轨道，技术上可以做到，但需要增加火箭的推力，相比之下。实施变轨是节能、经济的好办法 “嫦娥一号”卫星变轨的关键技术在于变轨发动机。发动机在接收地面的指令后，必须精确响应，严格实施开机、关机、变轨等指令．否则卫星就有可能飞向别的方向。2

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