淺析地球衛星發射及其運行

河北欒城中學 劉峰娟

隨著我國航天事業的蓬勃發展，地球周圍已有很多衛星，那么衛星是怎樣發射的？常見的衛星運行軌道有哪些？本文將一一進行剖析。

一、衛星是如何發射的

衛星發射要靠火箭運載，其發射過程大致可以分為垂直起飛、轉彎飛行、進入軌道共三個步驟。

圖1 衛星的發射

在第一級火箭開始燃燒時，也就是發射之初，一般采用垂直起飛，因為地球表面大氣層較厚，對火箭的阻力比較大，采用這種方法能盡快離開大氣層。穿出大氣層后，第二級火箭點火繼續加速，當火箭具有足夠大速度時，第二級火箭脫落。這時在地面控制站的操作下，火箭偏離了原來的豎直方向開始轉彎。當火箭到達預定軌道位置時，第三級火箭開始點火，從而使衛星具有在預定軌道內運行所需的速度，從而進入軌道。

二、常見的衛星運行軌道有哪些

地球衛星進入運行軌道后，從衛星的運行軌道來看有極地軌道、赤道軌道、一般軌道三類。無論是哪種衛星，其運行軌道都必須以地心為圓心。

1.衛星的運行規律。

一般地，衛星的繞行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a與軌道半徑 r有關，可通過以下推導來幫助理解：

設地球質量為M，依據萬有引力提供向心力可以找出衛星的繞行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a與軌道半徑 r的關系。

圖2 衛星的軌道

以上規律可總結為這樣的口訣：“高軌低速長周期”。即“高軌”就是軌道半徑越大，“低速”指線速度、角速度、向心加速度越低，“長周期”指周期就越長。

2.近地衛星。

那么如果衛星軌道半徑r越小，距地面高度就越低，最小的軌道半徑就成為地球半徑，我們稱這樣的衛星為近地衛星。

由于近地衛星的軌道半徑r最小，半徑剛好是地球半徑R，這時就有最大的運行線速度v，最小的運行周期T。

3.同步衛星。

相對地球靜止的衛星可稱為是地球同步衛星。所以地球同步衛星特點如下：衛星與地球某地保持靜止，那么在石家莊的上空有沒有可能存在地球同步衛星？或者說在赤道軌道的上邊或下邊有沒有可能存在地球同步衛星？如圖3所示：

圖3 同步衛星

因為同步衛星與地球運行的角速度相同，地球又是自西向東轉的，所以就決定了地球同步衛星的運行軌道與地球的緯度平行。若在石家莊上空有同步衛星就是如圖的B點位置，則此衛星在B點所在的緯度平面軌道上運動。而同步衛星又在做圓周運動，其向心力是由萬有引力提供的，萬有引力方向指向地心，也就是向心力方向也指向地心。B點的向心力應是F所指方向，但是向心力由萬有引力提供，應指向地心方向。綜上在石家莊上空不可能有地球同步衛星，地球同步衛星只能在A點所在緯度平面內即赤道平面運動。

4.同步衛星軌道高度的確定。

已經知道地球同步衛星的周期T=24h和實際的運行軌道，若地球質量為M，地球半徑為R，周期為T，可利用萬有引力完全充當向心力計算出地球同步衛星距離地面的高度。

得=36000 km

地球半徑是6400 km，地球同步衛星的軌道高度大約是地球半徑的六倍。

5.地球同步衛星速率的確定。

由②式與黃金公式GM=gR2

地球同步衛星的特點可總結為“五定”：周期定（T=24h）、角速度定（ω=）、軌道定（在赤道的平面上運行）、高度定（距離地面的高度h=36000 km約為地球軌道半徑的6倍）、速率定（同步衛星環繞地球的速度都相同，為v=3.1 km/s）。