淺析地球衛(wèi)星發(fā)射及其運(yùn)行

河北欒城中學(xué) 劉峰娟

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，地球周圍已有很多衛(wèi)星，那么衛(wèi)星是怎樣發(fā)射的？常見的衛(wèi)星運(yùn)行軌道有哪些？本文將一一進(jìn)行剖析。

一、衛(wèi)星是如何發(fā)射的

衛(wèi)星發(fā)射要靠火箭運(yùn)載，其發(fā)射過程大致可以分為垂直起飛、轉(zhuǎn)彎飛行、進(jìn)入軌道共三個(gè)步驟。

圖1 衛(wèi)星的發(fā)射

在第一級火箭開始燃燒時(shí)，也就是發(fā)射之初，一般采用垂直起飛，因?yàn)榈厍虮砻娲髿鈱虞^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(diǎn)火繼續(xù)加速，當(dāng)火箭具有足夠大速度時(shí)，第二級火箭脫落。這時(shí)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(zhuǎn)彎。當(dāng)火箭到達(dá)預(yù)定軌道位置時(shí)，第三級火箭開始點(diǎn)火，從而使衛(wèi)星具有在預(yù)定軌道內(nèi)運(yùn)行所需的速度，從而進(jìn)入軌道。

二、常見的衛(wèi)星運(yùn)行軌道有哪些

地球衛(wèi)星進(jìn)入運(yùn)行軌道后，從衛(wèi)星的運(yùn)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(wèi)星，其運(yùn)行軌道都必須以地心為圓心。

1.衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律。

一般地，衛(wèi)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(guān)，可通過以下推導(dǎo)來幫助理解：

設(shè)地球質(zhì)量為M，依據(jù)萬有引力提供向心力可以找出衛(wèi)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(guān)系。

圖2 衛(wèi)星的軌道

以上規(guī)律可總結(jié)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(wèi)星。

那么如果衛(wèi)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(wèi)星為近地衛(wèi)星。

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

3.同步衛(wèi)星。

相對地球靜止的衛(wèi)星可稱為是地球同步衛(wèi)星。所以地球同步衛(wèi)星特點(diǎn)如下：衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星？如圖3所示：

圖3 同步衛(wèi)星

因?yàn)橥叫l(wèi)星與地球運(yùn)行的角速度相同，地球又是自西向東轉(zhuǎn)的，所以就決定了地球同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌道與地球的緯度平行。若在石家莊上空有同步衛(wèi)星就是如圖的B點(diǎn)位置，則此衛(wèi)星在B點(diǎn)所在的緯度平面軌道上運(yùn)動(dòng)。而同步衛(wèi)星又在做圓周運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)的向心力應(yīng)是F所指方向，但是向心力由萬有引力提供，應(yīng)指向地心方向。綜上在石家莊上空不可能有地球同步衛(wèi)星，地球同步衛(wèi)星只能在A點(diǎn)所在緯度平面內(nèi)即赤道平面運(yùn)動(dòng)。

4.同步衛(wèi)星軌道高度的確定。

已經(jīng)知道地球同步衛(wèi)星的周期T=24h和實(shí)際的運(yùn)行軌道，若地球質(zhì)量為M，地球半徑為R，周期為T，可利用萬有引力完全充當(dāng)向心力計(jì)算出地球同步衛(wèi)星距離地面的高度。

得=36000 km

地球半徑是6400 km，地球同步衛(wèi)星的軌道高度大約是地球半徑的六倍。

5.地球同步衛(wèi)星速率的確定。

由②式與黃金公式GM=gR2

地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)可總結(jié)為“五定”：周期定（T=24h）、角速度定（ω=）、軌道定（在赤道的平面上運(yùn)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(wèi)星環(huán)繞地球的速度都相同，為v=3.1 km/s）。