衛星變軌

衛星在軌期間自主改變運行軌道的過程稱為變軌。衛星軌道是橢圓的，節省發射火箭燃料的方法，可以先發射到大橢圓軌道，衛星處於遠地點的時候，衛星上面的姿態調整火箭點火，這樣衛星的軌道變成需要的高度。變軌可以多次，這就需要精確計算衛星變軌的時間，由地面指令控制。受地球引力影響，人造衛星、宇宙飛船（包括空間站）運行軌道會以每天 100米左右的速度下降。這樣將會影響人造衛星、宇宙飛船（包括空間站）的正常工作。在軌道運行的過程中，常常需要變軌。變軌除了能規避“太空垃圾”對其的傷害外，主要是為了保證其運行的壽命。

基本介紹

• 中文名：衛星變軌
• 外文名：The satellite orbit
• 領域：航天
• 目的：為了保證其運行的壽命

舉例

人造衛星、宇宙飛船（包括空間站）在軌道運行的過程中，常常需要變軌。除了規避“太空垃圾”對其的傷害外，主要是為了保證其運行的壽命。據介紹，由於受地球引力影響，人造衛星、宇宙飛船（包括空間站）運行軌道會以每天 100米左右的速度下降。這樣將會影響人造衛星、宇宙飛船（包括空間站）的正常工作，常此以久將使得其軌道越來越低，最終將會墜落大氣層。據俄羅斯飛行控制中心2010年2月21日凌晨宣布，國際空間站運行軌道當天順利提升了6.2公里，為俄羅斯載人飛船及美國太空梭與空間站對接創造了條件。

此次軌道提升從莫斯科時間21日零時15分(台北時間21日5時15分)開始，對接在國際空間站“星辰”服務艙上的俄“進步 M－04M”貨運飛船的8個發動機被啟動，並工作了1557秒，從而使國際空間站運行軌道提升了6.2公里，最後到達距地球約349公里的太空軌道，整個過程是在自動狀態下完成的。飛船的發動機向後噴氣將會獲得向前的加速度，飛船的姿態將發生變化。那么從物理學角度如何來分析這個變軌過程？按照人造衛星運行的規律，其在軌的運行速度V大小由下列公式決定：

其中G為萬有引力恆量，M為地球的質量，r為人造衛星的軌道半徑（地球半徑R + 人造衛星距地面高度h）。從以上公式可以看出，在軌的人造衛星其速度完全由軌道半徑大小決定：與其的平方根成反比——軌道半徑越小的，其速度越大（貼地球表面飛行，其速度最大，即為第一宇宙速度7.9千米/秒）;軌道半徑越大的，其速度越小。在變軌過程中，人造衛星由低軌道調整到高軌道，其軌道半徑增加，那么運行速度將比原來的小。根據上面的公式，我們可以計算出隨著人造衛星軌道半徑增加，其運行速度（變化）的數據： 從以上表格的數據可以看到，隨著人造衛星軌道半徑的增加（距地面高度的增加），其運行速度越來越小。高度每增加50千米，速度約會減小28米/秒（不是線性減小）。這次國際空間站運行軌道提升了6.2公里，其運行速度只減小了3米/秒。有人可能對此會提出疑問——明明是飛船發動機噴氣加速，那么在變軌過程中，飛船的速度應該是逐漸增加的。

分析

從動力學角度分析

——當飛船發動機噴氣加速，飛船的速度增加，作圓周運動所需的向心力增加，但是圓周運動所提供的向心力（即萬有引力）不變，飛船將會作離心運動，其運行軌道將提升，速度將會減小。

用公式分析：理論上來說，衛星圓周運動所提供的向心力即為萬有引力，所以：,由此可得當環繞半徑增大時（即高度增加），衛星線速度會減小。

從能量角度分析

——在這裡我們來作以下的估算：設人造衛星的質量為2噸，原軌道半徑為342.8公里，現變軌到349公里。該人造衛星的重力勢能增加值為（假設該過程中重力加速度值無變化，且值為10米/秒2）在這個過程中該人造衛星的動能減少值為（萬有引力恆量G = 6.67×10^－11牛·米^2/千克^2，地球質量M = 5.98×10^24千克）

由以上估算可以看出——該人造衛星在變軌（由低軌道升至高軌道）的過程中，引力勢能增加值遠遠大於動能減少值。也就是說，在變軌過程中，發動機消耗的能量E主要是為了增加人造衛星的引力勢能。據能量守恆關係，有 E + ΔEK = ΔEP，也就是說人造衛星調整到高軌道是以動能的損失和發動機消耗能量為代價來增加其引力勢能。

變軌之後，飛船做勻速圓周運動的軌道半徑增大!