人造卫星的轨道设计

为什么人造地球卫星的轨道有各种形状？东方星人造地球卫星的轨道似乎有各种形状，但如果你仔细观察以后会发现，它们主要呈现圆形和椭圆形两种，其中圆轨道是椭圆轨道的特殊情况。

人造地球卫星的轨道形状与人造地球卫星入轨时的速度和方向有关，究竟采用哪种形状的轨道，则是由人造地球卫星的功能和用途决定的。

1运行轨道形状与航天器速度有关人造地球卫星的轨道是人造地球卫星绕地球运行的轨道。

它呈一条封闭的曲线。

这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面的特征是总是通过地心的。

要回答人造地球卫星的轨道形状问题，首先应该了解三个宇宙速度的基本概念。

众所周知，航天器（包括人造地球卫星、载人航天器、空间探测器）要离开地面进入太空需达到一定速度，这样才能克服地球的引力而不落到地面。

理论和实践都已证明，在航天器的飞行速度达到7.9千米/秒时，它可以环绕地球运转。

一般把航天器在地球轨道飞行的速度叫环绕速度，7.9千米/秒也叫第一宇宙速度。

当航天器的飞行速度达到11.2千米/秒时，它就可以脱离地球轨道，成为围绕太阳运行的人造行星，或者飞向太阳系的其他星球上去。

一般把脱离地球轨道飞行的速度叫脱离速度或逃逸速度, 11.2千米/秒也叫第二宇宙速度。

如果航天器的飞行速度达16.6千米/秒, 它就可以脱离太阳系，到其他恒星世界去，16.6千米/秒也叫第三宇宙速度。

根据万有引力定律，两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。

因此，人造地球卫星离地球中心的距离不同，其环绕速度(第一宇宙速度)和脱离速度(第二宇宙速度)有不同的数值，轨道越高，速度越低。

例如，它在200千米高轨道飞行的环绕速度是7.790千米/秒，脱离速度是11.016/千米/秒；它在35800千米高轨道飞行的环绕速度是3.076千米/秒，脱离速度4.348/千米/秒。

如果环绕速度减小，人造地球卫星的轨道高度就会降低，直至坠入大气层烧毁。

航天器与运载火箭分离后入轨点的轨道速度叫入轨速度。

V ol. 16 N o. 6 航天器工程第16 卷第6 期16 SPA CECR AF T EN GIN EERIN G嫦娥一号月球探测卫星轨道设计杨维廉周文艳( 北京空间飞行器总体设计部, 北京100094)2007 年11 月摘要嫦娥一号卫星航天使命的主要科学目标是对月球及月地空间进行多种遥感探测, 航天使命设计的主要和基本的部分是卫星飞行轨道的设计, 其中包括在飞行过程中的轨道控制策略的设计。

嫦娥一号的这条飞行轨道由三大部分组成: 第一部分是绕地飞行的调相轨道, 它们由周期为16h、24h、48h 的三段轨道组成; 第二部分是关键的地月转移轨道; 第三部分是200km 高度绕月飞行的使命轨道。

文章给出了整个飞行轨道的设计思想。

关键词月球探测调相轨道地月转移轨道使命轨道轨道控制中图分类号: V4741 3 文献标识码: A 文章编号: 1673- 8748( 2007) 06- 0016- 09Orbit Design for Lunar Exploration Satellite CE- 1YANG Weilian ZH OU Weny an( Beijing Inst itut e of Spacecraf t Syst em Eng ineer ing, Beijing 100094, China)Abstract: CE- 1 is t he f irst Chinese pr obe t o ex plore the Mo on. T he m ain scient if ic object ives ofthis mission are remo te sensing of t he mo on and t he cislunar environment invest igat ions. T he pr-im ar y and basic part of the mission design is t he o rbit desig n of w hole f lig ht process, including theorbit cont rol st rat eg y. T he f light co nsist s of t hr ee seg ment s. T he first is phasing o rbit s segm entw hich includes t hr ee orbits w ith periods of 16, 24 and 48 hours; T he second is t ranslunar- t rajecto-r y being key part of t he f light . T he last segm ent is a mission orbit which is cir cular one w it h alt -it ude o f 200km and inclination of 90 degr ee t o lunar equat or.Key words: lunar explorat ion; phasing orbit ; t ranslunar- t rajecto ry; mission or bit ; orbit cont rol超GT O 轨道, 轨道周期为151 81h。

人造地球卫星的运行轨道夜晚，人们常常会看到明亮的星在天幕群星之间匆匆穿行，不久便消失在远方的天空。

这就是人造地球卫星。

人造地球卫星沿着一定的轨道围绕地球运行。

从这一点上看，它与月球很相像，属于以地球为中心的天体系统。

但是，人造地球卫星与所有的天然天体不同，它是人工研制和发射到运行轨道上的一种空间飞行器（或航天器），是按照人的意志、为了人们的某种目的沿轨道运行的特殊天体。

人造卫星体积很小，根本不能与月球相比。

它与地球的距离也比月地距离小得多，即使距地面最远的人造卫星，其近地点高度，也不及月地最近距离的十分之一。

由于人造卫星离地球较近，所以，在地球上只有天黑后不久和黎明前的一段时间内，才能看到它们。

深夜时，也有人造卫星从天空经过，然而，由于完全掩没于地球的黑影之中，人们是无法看到它们的。

这些人造卫星飞行的方向是各不相同的。

人造卫星的飞行方向不同，表明它们各自的轨道平面与赤道平面有着不同的夹角。

人造地球卫星运行轨道所在的平面，叫做轨道平面。

所有人造卫星的轨道平面都通过地心。

轨道平面与地球赤道平面的夹角，叫做轨道倾角。

根据轨道倾角，人造地球卫星的轨道有顺行轨道、逆行轨道、极轨道和赤道轨道等几种。

朝偏东向运行的卫星，轨道倾角小于90°，称为顺行轨道。

沿这种轨道运行的卫星，在发射过程中，运载火箭是朝偏东方向飞行的。

由于发射时利用了地球自转的一部分速度，因此比较节省能量。

世界上早期发射的人造卫星，大部分是属于这种类型的。

卫星沿南北方向运行，轨道倾角等于90°，称为极轨道。

极轨道平面不仅通过地心，而且通过地球的南、北两极。

由于地球不断地自转，因此，沿这种轨道运行的人造卫星，能从地球的任何上空通过。

卫星向偏西方向运行，轨道倾角大于90°，称为逆行轨道。

沿这种轨道运行的人造卫星，在发射过程中，运载火箭是朝偏西方向飞行的。

由于发射时需要抵消地球自转的一部分速度，因此，消耗的能量比较多。

卫星向正东方向运行，轨道倾角等于0°，称为赤道轨道。

航空航天工程中的航天器轨道设计方法探讨在航空航天工程中，航天器轨道设计是一个关键的环节。

它决定了航天器的飞行路径和行进速度，对于任务的顺利执行和安全性至关重要。

本文将探讨航天器轨道设计的方法和考虑因素。

航天器轨道设计的方法有多种，其中最常见的方法包括圆形轨道、椭圆轨道和地球同步轨道。

圆形轨道是指航天器绕地球运行的轨道呈圆形，轨道高度和速度相对稳定，适用于太空观测和通信卫星。

椭圆轨道是指航天器绕地球运行的轨道呈椭圆形，轨道高度和速度变化较大，适用于地球探测和人造地球卫星。

地球同步轨道是指航天器绕地球运行的轨道与地球自转周期相同，使得航天器能够始终停留在同一个地理位置上，适用于通信卫星和气象卫星。

在航天器轨道设计中，有多个因素需要考虑。

首先是任务目标和要求。

不同的任务需要不同的轨道类型和参数，如观测任务需要稳定的轨道高度和速度，通信任务需要地球同步轨道。

其次是航天器的性能和能力。

航天器的能量和推力决定了它能达到的轨道高度和速度，对于长时间任务或深空探测，需要更高的能力和更大的运载能力。

此外，地球自转和重力潮汐也需要考虑，它们对轨道的影响可能需要进行校正和调整。

航天器轨道设计还需要考虑对地球的影响。

航天器的运行轨道会对地球产生一定的影响，如引起大气层摩擦和空间垃圾产生。

为了减少对地球的影响和延长航天器的寿命，轨道设计需要考虑环境保护和可持续发展的因素。

例如，控制轨道高度和速度，避免与其他卫星或空间器件碰撞，提高航天器的维修和保养能力。

航天器轨道设计还需要考虑飞行的动态特性和航天器的控制能力。

航天器在轨道中的飞行是一个动态过程，需要考虑空气阻力、重力场和姿态控制等因素。

轨道设计需要合理安排航天器的轨道和速度，以适应飞行动态变化，并保证航天器的稳定和控制能力。

除了上述因素，航天器轨道设计还需要考虑其他一些因素，如地球地理条件、太阳活动和电磁辐射等。

这些因素会对轨道的稳定和安全性产生影响，需要进行综合考虑和优化设计。

人造卫星的基本原理参考、摘录自——王冈 曹振国《人造卫星原理》一、关于椭圆轨道在地球引力的作用下，要使物体环绕地球作圆周运动，那么必须使得物体的速度达到第一宇宙速度。

如果卫星所需的向心力恰好和其所受万有引力相等，则它将作圆周运动。

若其所需向心力大于地球引力，这是物体的运动轨迹就变成椭圆轨道了。

物体的速度比环绕速度（作圆周运动时的速度）大得越多，椭圆轨道就越“扁长”，直到达到第二宇宙速度，物体便沿抛物线轨道飞出地球引力场之外。

因为发射卫星和飞船时，入轨点的速度控制不可能绝对精确，速度大小的微小偏离，和速度方向与当地的地球水平方向间的微小偏差，都会使航天器的轨道不是圆形二是椭圆形，椭圆扁率取决于入轨点的速度大小和方向。

二、卫星运动轨道的几何描述尽管开普勒定律阐明的是行星绕太阳的轨道运动，它们可以用于任意二体系统的运动，如地球和月亮，地球和人造卫星等。

假定地球中心O 在椭圆的一个焦点上a ——椭圆的半长轴b ——椭圆的半短轴>11.2km/s-抛物线 >16.7km/s-双曲线ce ——偏心率 a c e =P e ——近地点A p ——远地点P ——半通径)1(22e a a b P -== Y w ——轴与椭圆交点的坐标f ——真近点角，近地点和远地点之间连线与卫星向径之间的夹角E ——偏近点角只要知道了卫星运行的椭圆轨道的几个主要参数：a ，e 等，卫星在椭圆轨道上任一点（r ）处的速度就可以计算出来：)12(ar v -=μ 其中2μ=GM （地心万有引力常数） 椭圆轨道上任一点处的向径r 为：)cos 1(E e a r -=近地点向径：)1(e a r p -=远地点向径：)1(e a r A +=所以，近地点r 最小，卫星速度最大ee a v -+⋅=112μ 远地点r 最大，卫星速度最小e ea v +-⋅=112μ卫星或飞船入轨点处的速度，通常就是近地点的速度，这个速度一般要比当地的环绕速度要大；而椭圆轨道上远地点速度则比当地的环绕速度要小。

近地轨道(Low Earth orbit)，又称低地轨道，是指航天器距离地面高度较低的轨道。

近地轨道没有公认的严格定义。

一般高度在2000千米以下的近圆形轨道都可以称之为近地轨道。

由于近地轨道卫星离地面较近，绝大多数对地观测卫星、测地卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。

人造卫星的运行轨道（除近地轨道外）通常有三种：
地球同步轨道。

太阳同步轨道。

极轨轨道。

地球同步轨道
是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道。

但其中有一种十分特殊的轨道，叫地球静止轨道。

这种轨道的倾角为零，在地球赤道上空35786千米。

地面上的人看来，在这条轨道上运行的卫星是静止不动的。

一般通信卫星，广播卫星，气象卫星选用这种轨道比较有利。

地球同步轨道有无数条，而地球静止轨道只有一条。

太阳同步轨道是绕着地球自转轴，方向与地球公转方向相同，旋转角速度等于地球公转的平均角速度（360度/年）的轨道，它距地球的高度不超过6000千米。

在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。

气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。

极地轨道是倾角为90度的轨道，在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空，可以俯视整个地球表面。

气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星、军用卫星常采用此轨道。

极轨卫星在离地面约840公里的轨道上运
行，它们的轨道通过地球的南北极，而且它们的轨道是与太阳同步的，也就是说，它们每天两次飞越地球表面上的一个点，而且总是在同一个钟点。

美国、中国、印度和俄罗斯拥有极轨气象卫星。

人造卫星如何绕地球运行？人造卫星是为满足特定目标而发射到外层空间的设备。

它们能够围绕地球或其他天体进行轨道运动。

人造卫星的成功发射与运行离不开多个科学原理和技术手段的支持。

在本文中，我们将详细探讨人造卫星是如何绕地球运行的，包括轨道设计、力学原理、发射过程和运行控制等多个方面。

一、轨道设计卫星的轨道是其运行路径的具体依据，其设计通常基于卫星的使命和用途。

卫星可以分为不同的轨道类型，如低地轨道（LEO）、中地轨道（MEO）和高地轨道（GEO）。

每种轨道都有其特定的特性和适用场景。

低地轨道（LEO）低地轨道一般指距地面180公里至2000公里之间的区域。

这种轨道适合用于观察、成像和科研等任务，因其接近地球并能提供较高分辨率的图像。

例如，国际空间站（ISS）就运行在这个范围内。

中地轨道（MEO）中地轨道通常设定在2000公里至35786公里之间，这一轨道主要用于导航系统，如GPS卫星。

中地轨道下，卫星与地面用户间的信号时延较小，确保导航信息准确可靠。

高地轨道（GEO）高地轨道指的是距离地面约35786公里的位置。

卫星在此高度上若能以同步速度运动，便可保持相对于地面的固定位置，广泛运用于通信和气象监测等任务。

这种轨道的一个显著优点是可持续覆盖特定区域，不需频繁调整位置。

二、牛顿运动定律与万有引力人造卫星在绕地球运行时，离不开牛顿运动定律和万有引力法则。

万有引力牛顿在17世纪提出万有引力法则，认为物体间存在一种相互吸引的力。

人造卫星绕行地球，其运动受到地球引力的影响。

这种引力提供了向心力，使得卫星能够沿着圆形或椭圆形轨道稳定运行。

牛顿第二运动定律卫星在运行过程中，会受到多个力量作用，其中最重要的是引力。

这一点可通过牛顿第二运动定律来解释。

根据该定律，物体所受的合力等于其质量乘以加速度。

将卫星所受的引力与其休止状态所需的向心加速度结合，可以得出相关计算式：[ F = m a ]在此式中：(F)为太阳对卫星施加的引力。

人造卫星如何绕地球运行？人造卫星是人类利用科技手段制造并发射到地球轨道上的人造物体，用于进行通信、导航、气象观测等各种任务。

它们的运行轨道是如何确定的？又是如何绕地球运行的呢？本文将详细介绍人造卫星的运行轨道和运行方式。

一、人造卫星的运行轨道人造卫星的运行轨道主要有地球同步轨道、低地球轨道、中地球轨道和高地球轨道等几种类型。

1. 地球同步轨道地球同步轨道是人造卫星最常用的轨道之一，它位于赤道平面上，使卫星的运行速度与地球自转速度保持同步，从而实现卫星在地球上空固定点的连续观测。

地球同步轨道分为静止轨道和准静止轨道两种。

静止轨道（GEO）位于赤道上空约3.6万公里的高度，卫星的周期与地球自转周期相等，因此卫星相对地球保持不动，可以实时观测某一固定地区。

这种轨道适用于通信、广播、气象等需要连续覆盖的应用。

准静止轨道（MEO）位于赤道上空约3.6万公里的高度，卫星的周期略大于地球自转周期，因此卫星相对地球做椭圆形轨道运动，每天经过同一地点两次。

这种轨道适用于导航卫星系统，如GPS。

2. 低地球轨道低地球轨道（LEO）位于地球表面上空约200-2000公里的高度，卫星的周期较短，通常为1.5-2小时。

由于距离地球较近，卫星的运行速度较快，可以实现高分辨率的观测和通信。

这种轨道适用于遥感卫星、通信卫星和空间实验室等应用。

3. 中地球轨道中地球轨道（MEO）位于地球表面上空约2000-36000公里的高度，卫星的周期较长，通常为12-24小时。

这种轨道适用于导航卫星系统，如北斗卫星导航系统。

4. 高地球轨道高地球轨道（GEO）位于地球表面上空约36000公里以上的高度，卫星的周期较长，通常为24小时以上。

这种轨道适用于天文观测卫星和深空探测器等应用。

二、人造卫星的运行方式人造卫星的运行方式主要有两种：静止轨道运行和椭圆轨道运行。

1. 静止轨道运行静止轨道运行是指卫星相对地球保持不动，始终停留在同一位置上。

这种运行方式适用于地球同步轨道，如通信卫星和气象卫星。

人造卫星的构造与轨道控制技术人造卫星是人类应用于太空科技领域的杰出成果，它既可以用于通信、遥感、导航等科学研究，也可以用于军事、商业等领域。

作为一个高科技产品，人造卫星的构造、运行和控制都需要各种工程技术的支持。

一、卫星构造人造卫星的构造是由地球站、太阳能电池板、电池、发射装置、天线等多种组成部分构成的。

一般而言，卫星本体是由机身和载荷两个主要部分组成。

机身是卫星的主干部分，它包含了卫星的主要功能装置。

而载荷则是完成一定任务的电气、机械或热学设备，包括各种实验仪器和工业产品。

对于通信卫星来说，天线是十分重要的构造部分，因为从卫星发射电磁波到地面是通过天线实现的。

而天线幅面通常都是非常小的，因此天线的设计需要考虑到精度、稳定性和制造成本等方面的因素。

另外，在卫星的构造过程中，材料的选用也十分重要。

卫星通常会暴露在极端的环境下，如太阳射线、暴雨、高温、低温等，因此需要使用高强度、高耐腐蚀性、高耐候性的特种材料进行制造。

二、卫星轨道卫星的轨道一般分为地球同步轨道和极地轨道两种类型。

地球同步轨道的特点是卫星飞行周期与地球自转周期相同，其高度一般在3万至6万公里之间。

极地轨道则是从极点出发，绕地球北极冠、南极冠飞行，高度一般在800公里至1000公里之间。

为了确保卫星在轨道上稳定飞行，需要设计它的飞行方法。

目前主要的卫星飞行方法有“大气打氮”和“离轨打氮”两种。

实际上，卫星的轨道还受到地球引力、太阳辐射压力等多重因素的影响，轨道控制技术可以使卫星在轨道上保持精确的位置和速度。

三、卫星轨道控制技术为了确保卫星在轨道上精准地运行，需要掌握一系列的轨道控制技术。

其中最基础的技术是卫星姿态控制技术。

通过这种技术可以保证卫星发射后保持稳定的轨道，并且在飞行过程中避免不必要的转动。

卫星的姿态控制可以使用各种控制系统实现，如反动量轮、压缩气体垂直喷射推进器等。

另外，卫星的强制控制技术也非常重要。

这种技术可以通过改变卫星所受的力，来调整卫星的运行轨迹。