專(zhuān)題4：衛(wèi)星的變軌問(wèn)題

專(zhuān)題4：衛(wèi)星的變軌問(wèn)題視頻欣賞問(wèn)題與思考衛(wèi)星能不能像第二幅圖那樣從地球直奔月球，而不需要變軌呢？010203目錄如何變軌變軌類(lèi)型為何變軌04變軌實(shí)質(zhì)第一部分：為何變軌原因一：節(jié)能

直接飛到月球可能是最快的方式，但目前的科技很難做到。目前的方案是首先進(jìn)入地球軌道，然后通過(guò)點(diǎn)燃三級(jí)火箭逐級(jí)將飛船推入地月轉(zhuǎn)移軌道，飛船與三級(jí)火箭脫離，依靠月球的引力飛向月球。這樣利用地球、月球引力不斷加速變軌的措施，可以使飛船節(jié)省大量燃料，也更利于登月艙著陸。正如汽車(chē)爬山一樣，為了克服阻力需要汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)大功率輸出。持續(xù)高功率輸出會(huì)加重汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時(shí)甚至損毀。所以人們用盤(pán)山公路來(lái)解決汽車(chē)爬坡問(wèn)題。原因二：發(fā)動(dòng)機(jī)火箭也是一樣，不過(guò)它不僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的問(wèn)題，還要考慮燃料分配等很多問(wèn)題。原因二：發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)射火箭不僅要有足夠的燃料，還要能對(duì)火箭的飛行過(guò)程進(jìn)行有效的測(cè)量和控制。有效測(cè)控點(diǎn)越多，測(cè)控精度就越高，發(fā)射過(guò)程也就越可控。比如前期的入軌精度，真可謂差之毫厘謬之千里。原因三：測(cè)控要求

如果直飛月球，測(cè)控點(diǎn)會(huì)減少很多，測(cè)控精度必然下降，地面控制中心很難控制飛船轉(zhuǎn)軌和變軌精度。正是由于測(cè)控技術(shù)的限制，飛船在環(huán)月軌道停留的時(shí)間要比環(huán)地軌道停留的時(shí)間大很多。原因三：測(cè)控要求

發(fā)射窗口（Launchwindow）是指比較合適運(yùn)載火箭發(fā)射的一個(gè)時(shí)間范圍（即允許運(yùn)載火箭發(fā)射的時(shí)間范圍）。

這個(gè)范圍的大小也叫發(fā)射窗口的寬度。窗口寬度有寬有窄，寬的以小時(shí)計(jì)，甚至以天計(jì)算，窄的只有幾十秒鐘，甚至為零。原因四：發(fā)射窗口衛(wèi)星的發(fā)射過(guò)程又是如何變軌的呢？第二部分：如何變軌一、變軌視頻演示二、變軌原理離心運(yùn)動(dòng)無(wú)動(dòng)力運(yùn)行向后點(diǎn)火加速勻速圓周運(yùn)動(dòng)向前點(diǎn)火減速近心運(yùn)動(dòng)三、變軌過(guò)程1——低軌到高軌·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ離心運(yùn)動(dòng)離心運(yùn)動(dòng)低圓軌道(Ⅰ)——P點(diǎn)加速橢圓轉(zhuǎn)移軌道(Ⅱ)——Q點(diǎn)加速高圓軌道(Ⅲ)v3v41v1v2減速，v3>v223θ＞900vF引加速v2>v1加速v4>v3切點(diǎn)P切點(diǎn)Q三、變軌過(guò)程2——高軌到低軌·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ近心運(yùn)動(dòng)近心運(yùn)動(dòng)低圓軌道(Ⅲ)——Q點(diǎn)減速橢圓轉(zhuǎn)移軌道(Ⅱ)——P點(diǎn)減速高圓軌道(Ⅰ)三、變軌過(guò)程2——高軌到低軌衛(wèi)星的回收演示四、變軌過(guò)程的加速度設(shè)衛(wèi)星在軌道Ⅰ通過(guò)P的加速度是a1，Ⅱ軌道通過(guò)P的加速度是a2,Ⅱ軌道通過(guò)Q的加速度為a3，Ⅲ軌道通過(guò)Q的速度為a4·v2v3v4v1ⅠⅡⅢ五、實(shí)例探究1——發(fā)射變軌【典例1】2022年11月，“天舟五號(hào)”貨運(yùn)飛船僅用2小時(shí)就與“天宮”空間站快速交會(huì)對(duì)接，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。飛船從預(yù)定軌道Ⅰ的A點(diǎn)第一次變軌進(jìn)入橢圓軌道Ⅱ，到達(dá)橢圓軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)B時(shí)，再次變軌進(jìn)入空間站的運(yùn)行軌道Ⅲ，與空間站實(shí)現(xiàn)對(duì)接，假設(shè)軌道Ⅰ和Ⅲ都近似為圓軌道，不計(jì)飛船質(zhì)量的變化，則飛船（）A．在軌道Ⅰ的線(xiàn)速度大于第一宇宙速度B．在軌道Ⅰ上的運(yùn)行周期小于空間站的運(yùn)行周期C．第一次變軌需瞬間加速，第二次變軌需瞬間減速D．從橢圓軌道Ⅱ的A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，動(dòng)能增加【參考答案】B五、實(shí)例探究2——著陸變軌【典例2】（多選）2021年5月15日7時(shí)18分，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器成功著陸于火星，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得成功?！疤靻?wèn)一號(hào)”發(fā)射后經(jīng)過(guò)地火轉(zhuǎn)移軌道被火星捕獲，進(jìn)入環(huán)火星圓軌道，經(jīng)變軌調(diào)整后，進(jìn)入著陸準(zhǔn)備軌道，如圖所示。已知“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器的火星著陸準(zhǔn)備軌道是半長(zhǎng)軸為a1．周期為T(mén)1的橢圓軌道，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的中圓地球軌道衛(wèi)星的軌道半徑為r2，周期為T(mén)2，引力常量為G。則下列說(shuō)法正確的是（

）A．B．“天問(wèn)一號(hào)”在A點(diǎn)從環(huán)火星圓軌道進(jìn)入著陸準(zhǔn)備軌道時(shí)需要開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)向前噴氣C．“天問(wèn)一號(hào)”在環(huán)火星圓軌道上A點(diǎn)的加速度大于在著陸準(zhǔn)備軌道上A點(diǎn)的加速度D．由題目已知數(shù)據(jù)可以估算出火星的質(zhì)量【參考答案】BD五、實(shí)例探究3——修正變軌【典例3】（多選）2021年7月和10月，SpaceX公司星鏈衛(wèi)星兩次侵入中國(guó)天宮空間站軌道，為保證空間站內(nèi)工作的三名航天員生命安全，中方不得不調(diào)整軌道高度，緊急避碰。2021年10月19日至23日，美國(guó)星鏈2305持續(xù)軌道變化，中國(guó)空間站于10月21日3點(diǎn)16分進(jìn)行變軌規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。圖示為10月20日至23日期間星鏈2305和中國(guó)空間站的軌道距離地面高度數(shù)據(jù)圖。假設(shè)除開(kāi)變軌過(guò)程，中國(guó)空間站在不同高度軌道上都是繞地球進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則下列說(shuō)法正確的是（）A．10月21日3點(diǎn)16分，發(fā)動(dòng)機(jī)向前噴氣使得中國(guó)空間站速度減小B．中國(guó)空間站在10月22日運(yùn)行的向心加速度小于其在10月20日運(yùn)行的向心加速度C．中國(guó)空間站在10月22日運(yùn)行軌道的周期大于其在10月20日運(yùn)行軌道的周期D．中國(guó)空間站與地球的連線(xiàn)和星鏈2305與地球的連線(xiàn)在相同時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相同的面積【參考答案】BC五、實(shí)例探究4——空間對(duì)接【典例4】2022年11月3日，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭將夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙送入預(yù)定軌道。之后，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙成功與天和核心艙對(duì)接，標(biāo)志著我國(guó)空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成。天和核心艙繞地球穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)距離地球表面約400km，已知地球半徑約為6400km，且地球表面的重力加速度

，由以上信息可知，下列說(shuō)法不正確的是（）A．長(zhǎng)征系列火箭發(fā)射時(shí)，是靠噴出氣流的反沖作用獲得巨大速度，則同一火箭噴出相同質(zhì)量氣體時(shí)，噴出氣流的速度越大，火箭獲得的速度就越大B．天和核心艙在軌穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其速度可能等于11.2km/sC．天和核心艙的軌道比地球同步衛(wèi)星的軌道低D．夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙要和在軌的天和核心艙對(duì)接，是將實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射到較低的軌道上，然后使其加速實(shí)現(xiàn)與核心艙對(duì)接【參考答案】B1.飛船先在比空間站低的軌道運(yùn)行，運(yùn)行到某位置時(shí)，加速后到一個(gè)橢圓軌道。2.控制使飛船跟空間站恰好同時(shí)運(yùn)行到兩軌道的相切點(diǎn)。3.此時(shí)空間站通過(guò)機(jī)械手臂“抱住”飛船，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)接，如圖示?？臻g站飛船五、實(shí)例探究4——空間對(duì)接第三部分：兩種變軌類(lèi)型漸變與突變一、漸變由于某種因素（如受到稀薄大氣的阻力作用或外界引力等）的影響,使衛(wèi)星的軌道半徑發(fā)生緩慢的變化（逐漸減小或逐漸增大），由于半徑變化緩慢，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)仍可以當(dāng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)處理。二、突變根據(jù)發(fā)射需要，有時(shí)要在適當(dāng)?shù)奈恢枚虝r(shí)間啟動(dòng)飛行器上的發(fā)動(dòng)機(jī)，使飛行軌道發(fā)生突