淺談衛星的變軌發射

吳秋波

天體運動或人造衛星是每年必考的知識點，天體運動是牛頓運動定律和網周運動的綜合運用，考查多涉及天體密度或質量的估算，天體運動半徑與速度、周期的關系，人造衛星問題一般以新情境（如神舟系列、嫦娥系列等國內最新航天科技）命題，常以飛船的發射和變軌問題、同步人造衛星問題為熱點.

衛星發射到軌道上有兩種方法.以地球同步衛星為例.一種是直線發射，由火箭把衛星發射到三萬六千公里的赤道上空，然后做九十度的轉折飛行，使衛星進入軌道.另一種方法是變軌發射，即先把衛星發射到高度約二百公里——三百公里的網軌道上，這條軌道叫停泊軌道，當衛星穿過赤道平面時，末級火箭點火工作，使衛星進入一條大的橢網軌道，其遠地點恰好在赤道上空三萬六千公里處，這條軌道叫轉移軌道，當衛星到達遠地點時，再開動衛星上的發動機，使之進入網形同步軌道，也叫靜止軌道.

第一種發射方法，在整個發射過程中，火箭都處于動力飛行狀態，要消耗大量燃料，還必須在赤道上設置發射場，有一定的局限性.第二種發射方法，運載火箭消耗的燃料較少，發射場的位置也不受限制.目前各國發射同步衛星都用第二種方法，但這種方法在操作和控制上都比較復雜.近地圓軌道1，然后再次點火，將衛星送入同步軌道3.軌道1、2相切于Q，2、3相切于P點，則當衛星分別在1、2、3軌道上正常運行時，以下說法正確的是

（）

A.衛星在軌道2上經過Q點時的速度小于它在軌道2上經過P點時的速度

B.衛星在軌道1上經過O點時的加速度等于它在軌道2上經過O點時的加速度

C.衛星在軌道1上的向心加速度小于它在軌道3上的向心加速度

D.衛星在軌道3上的角速度小于在軌道1上的角速度

解析 由開普勒第二定律可知，衛星在橢網軌道的近地點速度大，A錯；

衛星在同一點受到的萬有引力相同，加速度也相同，B對；

例2 2011年9月29日，中國首個空間實驗室“天宮一號”在酒泉衛星發射中心發射升空，由長征運載火箭將飛船送入近地點為A、遠地點為B的橢圓軌道上，B點距離地面高度為h，地球的中心位于橢圓的一個焦點上.“天宮一號”飛行幾周后進行變軌，進入預定圓軌道，如圖3所示.已知“天宮一號”在預定圓軌道上飛行n圈所用時間為l，萬有引力常量為G，地球半徑為R.則下列說法正確的是

（）

例3 我國未來將建立月球基地，并在繞月軌道上建造空間站.如圖4所示，關閉發動機的航天飛機A在月球引力作用下沿橢圓軌道向月球靠近，并將在橢圓的近月點B處與空間站對接.已知空間站繞月軌道半徑為r，周期為T，引力常量為G，月球的半徑為R.下列判斷正確的是

（）

解析 航天飛機到達B處時速度比較大，如果不減速此時萬有引力不足以提供向心力，這時航天飛機將做離心運動，故A正確；

因為航天飛機越接近月球，受到的萬有引力越大，加速度越大，所以正在加速飛向B處，故B正確；

由萬有引力提供空間站做網周運動的向心力，則

例4 2014年10月24日，“嫦娥五號”探路兵發射升空，為計劃于2017年左右發射的“嫦娥五號”探路，并在8天后以“跳躍式返回技術”成功返回地面.“跳躍式返回技術”指航天器在關閉發動機后進入大氣層，依靠大氣升力再次沖出大氣層，降低速度后再進入大氣層.如圖5所示，虛線為大氣層的邊界.已知地球半徑R，地心到d點距離r，地球表面重力加速度為g.下列說法中正確的是

（）

航天器在a、c、e三點到地心距離相等，所受萬有引力相等，在n點和e點做近心運動，說明此時所需向心力小于萬有引力，運行速度小于勻速網周運動的速度，而在c點航天器做離心運動，說明此時所需向心力大于萬有引力，運行速度大于勻速網周運動的速度，可知c點速率大于a點速率，也大于e點速率，故C錯誤，D正確.

答案 D