航天器變軌和對接問題淺議

馮昊

(大同二中，山西 大同 0 3 7 0 0 0)

航天器變軌和對接問題淺議

馮昊

(大同二中，山西 大同 0 3 7 0 0 0)

學生對航天器的變軌及對接存在較大興趣。航天器的變軌和對接涉及到物理知識中的圓周運動、供求平衡關系等。本文通過實際舉例，闡述航天器的變軌及對接問題。

航天器；變軌；對接

在進行物理學習時，關于航天及萬有引力的探討是必可不少的，通過對知識點的了解，我們可以發現，在以往人造衛星發射成功的同時，對引力進行充分考慮及衡量是保證發射效率的基本前提，要想達到最佳射程，就需要充分考慮地球引力，相對的衛星的發射難度也就不斷增加，因此我們在一般情況下進行圓周軌道發射時，會首先將衛星引入與地面距離較近的軌道內，再通過點火操作實現其快速運行，使其呈現離心特點，當達到轉移軌道時，還需要進行上述動作，使其進一步達到預設軌道。

以下淺析航天器的變軌和對接問題。

在我們學習物理的過程中，在對人造衛星、航天飛機等的問題進行解答時，可以以圓周運動規律為基礎，通過向心力的平衡狀態進行結果判定，從而得到正確答案。當向心力的供求達到平衡狀態時，也是供求兩邊相等，物體就會做出速度勻稱的圓周運動；一旦供求平衡狀態被打破，供小于求時，也就出現了供與求不相符的狀態，物體就會呈現離心狀態運動；當供大于求時，也是不平衡狀態，物體就會呈現向心狀態運動。

例1：人造衛星進行變軌是達到發射要求的必行之舉，如神州八號，如果其發射軌道與天宮一號的軌道不在一個平面上，那么對接操作就無法進行，因此它只有變軌，變道與天宮一號同一軌道才能夠順利完成對接。神州八號飛船的成功發射，代表著我國的空間交會對接能力已經初具模型，實際對接狀態為：飛船在達到停泊點時會繼續前移4 0 0 m，而天宮一號則在第4及第1 3圈進行變軌運動等等，下面還有一系列的變軌對接活動，因此我們就可以發現，在變軌過程中是需要進行較為嚴密的計算機衡量的，距離與距離之間更要達到變軌實際需求，只有這樣才能實現真正意義上的變軌對接活動，使發射效率達到預期標準。

飛船欲與“天宮一號”成功地對接,飛船需要追上“天宮一號”,可采用的方法是從較低軌道加速飛船在較低軌道上運行時,它受到的萬有引力正好提供它所需要的向心力。若飛船加速,則萬有引力小于向心力,飛船將做離心運動,升到較高軌道與“天宮一號”對接。若飛船從與“天宮一號”同一高度的軌道加速或從較高軌道加速。它將升到更高的軌道上,無法實現交會對接。

例2：我們可以通過神州七號發射時形成的數據信息進行較為嚴密的研究，通過相關數據表明，神舟七號在發射時變軌信息具體表現為，由最初階段的進入的軌道的傾斜角為4 2.4°，與地表面相差的距離值為2 0 0 k m，這一軌道處于遠離地面的3 4 7 m，具有橢圓特點的軌道結構上，在完成4圈以后的飛行時，進入下一圈是關鍵點，這時需要對飛船進行變軌處理，使其能夠在被操控的同時到達應進入的軌道上。

當飛船在初始軌道上進行運動時，會形成距離地面較近的點，也會形成離地面較遠的點，通常情況下，當飛船運行至離地面較遠的距離時，就可以對其進行點火，使其速度得到提升，使飛船能夠在速度的推動下順利達到下一軌道。但是在我們進行問題解答時，會相應出現幾個問題誤導我們，如果我們對知識掌握不夠扎實，就會受相似答案誤導，選出錯誤選項。

一般情況下的相似問題會這樣提出：飛船在初始軌道運行時，近地點的地球引力會大于發射所必備的向心力；飛船在初始軌道上運行的過程中，距離地面較遠的點的地球引力，會大于發射必備的向心力；飛船在初始軌道上的距離地面較遠的點的速度會小于下一軌道上相同點的速度；在初始軌道上遠離地面的點的速度會大于下一軌道上相同點的速度。

我們在進行分析時可以發現，飛船在最初的軌道上進行運轉，肯定是與地面越接近速度就會越快，這就相當于飛船在與地面較近的位置點與地球的中心點的半徑范圍內是做出離心運動的，這也就間接的表明了這個位置點所承受的地球引力，比該點所要求的向心力要小；在遠離地面的位置點上的飛船由于受到應力影響，速度就會有所減緩，這時在軌道上所做的運動就是向心運動，這就表明飛船在這一位置點上所承載的地球引力是大于該點所要求的向心力的。

當飛船從初始軌道上運行至距離地面較遠的位置點上，飛船就可以通過點火，從尾部向外噴射氣體，形成作用力，提升飛船運行速度，而地球本身存在的萬有引力是不變的，這時地球引力對飛船的圓周運動影響力明顯不足，飛船就會沿著最初軌道做出離心運動，達到下一軌道上。

還會出現另一面的狀況，當飛船在脫離初始軌道進入下一軌道進行運動時，達到遠離地面的點就會向前方噴出氣體，這樣速度就會得到削減，這時地球引力就會大于位置點所需要的向心力，飛船就會做出向心運動，并重新回到初始軌道上，因此飛船在這一軌道上的運行速度是明顯小于下一軌道上相同位置點的速度的；當飛船運動到遠離地面的位置點時，不管是在哪個軌道上，所承受的地球引力都是一致的，并不會發生改變，我們通過物理中的牛頓第二定律就可以得出結論，飛船在上述兩個軌道上的加速度是相同的，因此就可以得出正確答案。

例3：我國的探月計劃主要被劃分為三個推進環節，我們通過了解后可以發現，探月的第一步就是繞，這一內容是由我國的首顆人造衛星完成的，在完成發射任務后，嫦娥一號需要花費九天左右的時間進行相關軌道段的飛行。我們可以做出假想，如果這一探測衛星是圍繞地球進行圓周運動，并且保持較為勻速的狀態，并且在最為恰當的關鍵點上進行點火，并提升速度，使其能夠進入到與地面相近的位置點，同時在地球表面的相近范圍內、距離較遠的位置點在月球表面的相近范圍內的橢圓軌道上進行運動。

如果想要在此種狀態下使該衛星進行環繞月球的軌道上，那么就需要在離月球較近的位置點，也可以說成是離地球較遠的位置啟動火箭運行，并保持與實際運行狀態相背離的方向噴射氣體。這主要是因為，嫦娥一號是月球探測衛星，為了使其能夠在正常狀態下脫離橢圓軌道，進入月球環繞軌道，就應當在距離月球表面的位置點進行點火，使其速度下降，也就是需要產生方向的作用力，使月球本身引力大于圓周運動所需向心力，只有這樣才能夠實現變軌運動。

例4：當航天器處于同一軌道上，其中一個領先于另一個，兩航天器的交會稱為共軌交會。要實現航天器的共軌交會，可通過對問題進行理解，并結合物理知識就可以得出相應結論，此時航天飛機應減速，從而進入一個較小的軌道（相位調整軌道）。較小的軌道對應的周期較小，如果速度降低的適當，當航天飛機完成一個周期的運動回到開始減速的位置時，通信衛星剛好也到達這里，即可實現交會。

[1]鄧逸凡，李超兵，王志剛.一種基于軌道要素形式終端約束的航天器空間變軌迭代制導算法[J].電子與控制，2 0 1 5(6).

[2]馮維明,王澤峰.航天器雙主動交會策略研究[J].論文與報告，2 0 1 1(1).

[3]黃文虎,曹登慶,韓增堯.航天器動力學與控制的研究進展與展望[J].航天動力學研究進展專輯，2 0 1 2(4).

[4]蔡麗芬.有效追問 驅動理解——衛星變軌問題分析[J].湖南中學物理，2 0 1 6(1).

[5]陳小明.對一道同步衛星變軌題的評析[J].物理通報，2 0 1 6(4).

[6]姚黃濤，馮杰.淺析衛星變軌運動[J].物理通報，2 0 1 6(6).

[7]楊傳頂.“衛星變軌”中疑難問題突破舉隅[J].新教育，2 0 1 6(1 6).

[8]王紅曉.闡釋衛星變軌問題[J].中學生數理化(學習研究)，2 0 1 6(9).

[9]楊君.由一道試題展開對衛星變軌后的過程分析[J].物理教師，2 0 1 6(1 0).

[1 0]閆德勝,楊成柱.淺談衛星變軌問題的分析方法[J].中學生數理化(高一版)，2 0 1 5(4).

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