人造卫星的发射轨道

【高中地理】人造卫星运行轨道的分类从1970年4月24日到2000年10月31日，我国发射了74个航天器，它们覆盖了地球所拥有的4种轨道。

其中有国产的实验飞船1艘，国产的人造卫星47颗，外国制造的卫星26颗。

现以47颗国产卫星为主，简要介绍一下它们的运行轨道。

顺行轨道逆行轨道的特点就是轨道倾角即为轨道平面与地球赤道平面的夹角大于90度。

在这种轨道上运转的卫星，绝大多数距地面较将近，高度仅为数百公里，故又将其称作近地轨道。

我国地处北半球，必须把卫星送进这种轨道，运载火箭必须朝东南方向升空，这样能利用地球自西向东进动的部分速度，从而可以节约火箭的能量。

地球进动速度可以通过赤道进动速度、升空方位角和发射点地理纬度计算出来。

不难想象，在赤道上朝着正东方向发射卫星，可以利用的速度最小，纬度越高能用的速度越大。

我国用长征一号、风暴一号两种运载火箭发射的8颗科学技术试验卫星，用长征二号、二号丙、二号丁3种运载火箭发射的17颗返回式遥感卫星以及用长征二号f运载火箭发射的神州号试验飞船，都是用顺行轨道。

它们都是从酒泉发射中心起飞被送入近地轨道运行的。

通过长征三号甲运载火箭发射的1颗北斗导航试验卫星也是采用顺行轨道。

顺行轨道逆行轨道的特征是轨道倾角大于90度。

欲把卫星送入这种轨道运行，运载火箭需要朝西南方向发射。

不仅无法利用地球自转的部分速度，而且还要付出额外能量克服地球自转。

因此，除了太阳同步轨道外，一般都不利用这类轨道。

由于地球表面不是理想的球形，其重力原产也不光滑，并使卫星轨道平面在惯性空间中不断变动。

具体地说，地球赤道部分有些鼓涨，对卫星产生了额外的吸引力，给轨道平面额外了1个力矩，并使轨道平面慢慢进动，进动方向与轨道倾角有关。

当轨道倾角大于90度时，力矩就是逆时针方向，轨道平面由西向东进动。

适度调整卫星的轨道高度、倾角和形状，可以并使卫星轨道平面的进动角速度每天东进0.9856度，恰好等同于地球拖太阳太阳的日平均值角速度，这就是应用领域价值很大的圆形太阳同步轨道。

人造卫星原理
人造卫星是指由人工制造并发射到地球轨道上的卫星。

它们被用于各种不同的用途，包括通信、天气观测、导航、科学研究等等。

人造卫星的工作原理可以简单地概括为以下几个步骤：
1. 发射：人造卫星通常由火箭发射入轨。

发射时，火箭提供足够的速度和高度将卫星送入轨道上。

2. 轨道：一旦卫星进入轨道，它会按照预定的轨道进行运动。

不同的卫星有不同的轨道类型，包括低地球轨道、中地球轨道和静止轨道等。

3. 通信：许多人造卫星用于通信目的。

这些卫星配备了天线和发射器，可以接收地面信号并转发到其他地区。

这种通信方式被广泛应用于电话、互联网和电视广播等领域。

4. 观测：人造卫星还用于观测地球和宇宙。

这些卫星搭载各种仪器，可以测量地球表面的温度、气候和植被等信息，或者观测宇宙中的星体、行星和黑洞等。

5. 导航：导航卫星是用于定位和导航的。

它们发射出无线电信号，接收器可以通过测量信号的时间差来计算自己的位置。

全球定位系统（GPS）就是一个应用广泛的导航卫星系统。

6. 科学研究：科学卫星主要用于进行各种科学研究。

例如，天
文学家可以使用卫星观察遥远的星系和宇宙现象，地球科学家可以利用卫星收集地球表面气候和环境的数据。

总之，人造卫星通过发射入轨、按照预定轨道运动，并搭载不同的仪器和设备来实现各种功能，从而能够为人类提供通信、观测、导航和科学研究等服务。

新教材高中物理科学思维系列（一）——卫星变轨及飞船对接问题新人教版必修第二册1．变轨原理及过程人造卫星的发射过程要经过多次变轨方可到达预定轨道，如图所示．(1)为了节省能量，在赤道上顺着地球自转方向发射卫星到圆轨道Ⅰ上．(2)在A 点点火加速，速度变大，进入椭圆轨道Ⅱ.(3)在B 点(远地点)再次点火加速进入圆轨道Ⅲ.2．卫星变轨问题分析方法(1)速度大小的分析方法． ①卫星做匀速圆周运动经过某一点时，其速度满足GMm r 2＝mv 2r即v ＝GM r.以此为依据可分析卫星在两个不同圆轨道上的速度大小． ②卫星做椭圆运动经过近地点时，卫星做离心运动，万有引力小于所需向心力：GMm r 2<mv 2r .以此为依据可分析卫星沿椭圆轨道和沿圆轨道通过近地点时的速度大小(即加速离心)．③卫星做椭圆运动经过远地点时，卫星做近心运动，万有引力大于所需向心力：GMm r 2>mv 2r .以此为依据可分析卫星沿椭圆轨道和沿圆轨道通过远地点时的速度大小(即减速近心)．④卫星做椭圆运动从近地点到远地点时，根据开普勒第二定律，其速率越来越小．以此为依据可分析卫星在椭圆轨道的近地点和远地点的速度大小．(2)加速度大小的分析方法：无论卫星做圆周运动还是椭圆运动，只受万有引力时，卫星的加速度a n ＝F m ＝G M r2.3．飞船对接问题(1)低轨道飞船与高轨道空间站对接如图甲所示，低轨道飞船通过合理地加速，沿椭圆轨道追上高轨道空间站与其完成对接．(2)同一轨道飞船与空间站对接如图乙所示，后面的飞船先减速降低高度，再加速提升高度，通过适当控制，使飞船追上空间站时恰好具有相同的速度．【典例】“嫦娥三号”探测器由“长征三号乙”运载火箭从西昌卫星发射中心发射，首次实现月球软着陆和月面巡视勘察，“嫦娥三号”的飞行轨道示意图如图所示．假设“嫦娥三号”在环月段圆轨道和椭圆轨道上运动时，只受到月球的万有引力，则以下说法正确的是( )A．若已知“嫦娥三号”环月段圆轨道的半径、运动周期和引力常量，则可以计算出月球的密度B．“嫦娥三号”由环月段圆轨道变轨进入环月段椭圆轨道时，应让发动机点火使其加速C．“嫦娥三号”在从远月点P向近月点Q运动的过程中，加速度变大D．“嫦娥三号”在环月段椭圆轨道上P点的速度大于Q点的速度【解析】根据“嫦娥三号”环月段圆轨道的半径、运动周期和引力常量可以求出月球的质量，但是由于不知道月球的半径，故无法求出月球的密度，A错误；“嫦娥三号”由环月段圆轨道变轨进入环月段椭圆轨道时，轨道半径减小，故应让发动机点火使其减速，B错误；“嫦娥三号”在从远月点P向近月点Q运动的过程中所受万有引力逐渐增大，故加速度变大，C正确；“嫦娥三号”在环月段椭圆轨道上运动时离月球越近速度越大，故P点的速度小于Q 点的速度，D错误．【答案】 C变式训练 1 如图所示是“嫦娥三号”奔月过程中某阶段的运动示意图，“嫦娥三号”沿椭圆轨道Ⅰ运动到近月点P处变轨进入圆轨道Ⅱ，“嫦娥三号”在圆轨道Ⅱ上做圆周运动的轨道半径为r，周期为T，已知引力常量为G，下列说法正确的是( )A．由题中(含图中)信息可求得月球的质量B．由题中(含图中)信息可求得月球的第一宇宙速度C．“嫦娥三号”在P处变轨时必须点火加速D ．“嫦娥三号”沿椭圆轨道Ⅰ运动到P 处时的加速度大于沿圆轨道Ⅱ运动到P 处时的加速度解析：万有引力提供向心力，G Mm r 2＝m 4π2T 2r ，得M ＝4π2r 3GT 2，故A 正确；万有引力提供向心力，G Mm ′R 2＝m ′v 2R ，得v ＝GM R，由于不知道月球半径，所以不能求得月球的第一宇宙速度，故B 错误；椭圆轨道和圆轨道是不同的轨道，“嫦娥三号”在P 点不可能自主改变轨道，只有在减速后，才能进入圆轨道，故C 错误；“嫦娥三号”沿椭圆轨道Ⅰ运动到P 处时和沿圆轨道Ⅱ运动到P 处时，所受万有引力大小相等，所以加速度大小也相等，故D 错误．答案：A变式训练2(多选)如图所示，发射同步卫星的一般程序是：先让卫星进入一个近地的圆轨道，然后在P点变轨，进入椭圆形转移轨道(该椭圆轨道的近地点为近地圆轨道上的P点，远地点为同步卫星圆轨道上的Q点)，到达远地点Q时再次变轨，进入同步卫星轨道．设卫星在近地圆轨道上运行的速率为v1，在椭圆形转移轨道的近地点P点的速率为v2，沿转移轨道刚到达远地点Q时的速率为v3，在同步卫星轨道上的速率为v4，三个轨道上运动的周期分别为T1、T2、T3，则下列说法正确的是( )A．在P点变轨时需要加速，Q点变轨时要减速B．在P点变轨时需要减速，Q点变轨时要加速C．T1<T2< T3D．v2>v1>v4>v3答案：CD变式训练3 发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步圆轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2 3相切于P点，如图所示，则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法不正确的是( )A．要将卫星由圆轨道1送入圆轨道3，需要在圆轨道1的Q点和椭圆轨道2的远地点P 分别点火加速一次B．由于卫星由圆轨道1送入圆轨道3点火加速两次，则卫星在圆轨道3上正常运行速度大于卫星在圆轨道1上正常运行速度C．卫星在椭圆轨道2上的近地点Q的速度一定大于7.9 km/s，而在远地点P的速度一定小于7.9 km/sD．卫星在椭圆轨道2上经过P点时的加速度一定等于它在圆轨道3上经过P点时的加速度解析：从轨道1变轨到轨道2需在Q 处点火加速，从轨道2变轨到轨道3需要在P 处点火加速，故A 说法正确；根据公式G Mm r 2＝m v 2r 解得v ＝GM r，即轨道半径越大，速度越小，故卫星在轨道3上正常运行的速度小于在轨道1上正常运行的速度，B 说法错误；第一宇宙速度是近地圆轨道环绕速度，即7.9 km/s ，轨道2上卫星在Q 点做离心运动，则速度大于7.9 km /s ，在P 点需要点火加速，则速度小于在轨道3上的运行速度，而轨道3上的运行速度小于第一宇宙速度，C 说法正确；卫星在椭圆轨道2上经过P 点时和在圆轨道3上经过P 点时所受万有引力相同，故加速度相同，D 说法正确．故选B.答案：B变式训练4 (多选)如图所示a 、b 、c 是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是( )A ．b 、c 的线速度大小相等，且大于a 的线速度B ．a 加速可能会追上bC ．c 加速可追上同一轨道上的b ，b 减速可等到同一轨道上的cD ．a 卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，仍做匀速圆周运动，则其线速度将变大 解析：因为b 、c 在同一轨道上运行，故其线速度大小、加速度大小均相等．又由b 、c 轨道半径大于a 轨道半径，v ＝GM r ，可知v b ＝v c <v a ，故A 错误；当a 加速后，会做离心运动，轨道会变成椭圆，若椭圆与b 所在轨道相切(或相交)，且a 、b 同时来到切(或交)点时，a 就追上了b ，故B 正确；当c 加速时，c 受的万有引力F <m v 2c r c，故它将偏离原轨道，做离心运动，当b 减速时，b 受的万有引力F >m v 2b r b，它将偏离原轨道，做近心运动，所以无论如何c 也追不上b ，b 也等不到c ，故C 错误；对a 卫星，当它的轨道半径缓慢减小时，由v ＝GM r 可知，v 逐渐增大，故D 正确．答案：BD。

卫星升空后多久才算进入最终轨道因为不同种类的人造地球卫星运行在不同的轨道上，所以它们在升空后进入最终的工作轨道所花的时间有很大差异，有的能马上进入最终的工作轨道，有的则需要几十天甚至几个月。

那么卫星升空后多久才算进入最终轨道?卫星升空后多久才算进入最终轨道由于种种原因，用运载火箭发射人造地球卫星时，其入轨点的速度和方向会与预定的轨道稍有偏差，因而常常不能一下把卫星送入预定的轨道。

例如，运行在距地面250km高的卫星，如果速度大小有千分之一的误差，或方向角有半度误差，都会使卫星的轨道高度偏离50km。

因此，卫星上天后需要变轨，对轨道进行修正，才能进入预定轨道。

如果不在地球赤道上的地点发射地球静止轨道卫星，那么由于卫星最初进入的轨道平面是通过发射地点和地心的，因此就会使轨道平面和地球赤道之间形成一个夹角。

要让轨道面和地球赤道面重合，就需要改变卫星轨道平面的倾角。

一般发射地球静止轨道卫星分为两步：第一步是用火箭把卫星送入一个远地点在赤道上空35786km，近地点为几百千米的大椭圆轨道，它也叫地球同步转移轨道;第二步是在卫星运行到远地点时，启动卫星上的远地点发动机3～4次，逐渐提高卫星飞行速度，改变飞行方向，消除轨道倾角，把卫星的近地点高度提升到35786km，速度的方向朝正东的水平线，从而使卫星运行在地球静止轨道。

拓展在太阳系里，除水星和金星外，其他行星都有天然卫星。

太阳系已知的天然卫星总数(包括构成行星环的较大的碎块)至少有160颗。

天然卫星是指环绕行星运转的星球，而行星又环绕着恒星运转。

就比如在太阳系中，太阳是恒星，我们地球及其它行星环绕太阳运转，月亮、土卫一、天卫一等星球则环绕着我们地球及其它行星运转，这些星球就叫做行星的天然卫星。

土星的天然卫星第二多，目前已知61星。

木星的天然卫星最多，其中63颗已得到确认，至少还有6颗尚待证实。

天然卫星的大小不一，彼此差别很大。

其中一些直径只有几千米大，例如，火星的两个小月亮，还有木星，土星，天王星外围的一些小卫星。

教学研究新课程NEW CURRICULUM天体的运行问题是高考的热点问题，在椭圆轨道和变轨问题上，中学阶段基本上都是做定性解释，很少做定量计算，且在教学实践中，一些学习优秀、善于思考的学生往往会在此类问题上提出更深层次的问题，如卫星在椭圆轨道的近、远地点的向心加速度大小和不同轨道的向心加速度、速度大小怎么比较？在用F n =m v 2r、a n =v 2r求解时，在近、远地点的“r ”到底是哪个量？怎么求？虽然学生提出的问题有的已经超出中学生应当掌握的范围，但是从激励学生的探究需求出发，对一些优秀的学生在这些问题上可适当做些拓展，况且作为授业解惑的教师，也需要对这些问题有个清楚的认识。

可是在教学实践中发现一些教师由于在这些问题上认识不清甚至根本不知道，经常被学生问得手足无措而避而不谈或者作出错误解释，一些材料在这些问题上的解释往往也是模棱两可。

若想对椭圆轨道的有关问题进行定量计算，首先必须对椭圆的曲率和曲率半径等有关知识有清晰的认识。

一、椭圆的曲率半径1.曲线的曲率和曲率半径曲率是描述曲线弯曲的程度，曲线y =f （x ）（设x =Φ（t ），y =φ（t ））的曲率的计算公式为k =x ′y ″-x ″y ′x ′2+y ′2[]32。

如图1所示，设k （k ≠0）为曲线y=f （x ）在点M 处的曲率，圆C 与曲线相切于M 点，若CM=R =1k ，圆C 称为曲线在点M 的曲率圆，圆C 的半径R 则称为曲线在点M 的曲率半径。

故曲率半径的计算公式为：R =1k =x ′2+y ′2[]32x ′y ″-x ″y ′—————①（1）2.椭圆的曲率半径如图2，a 是椭圆的半长轴，b 是椭圆的半短轴，椭圆的参数方程为：x=a cos θ，y=a sin θ。

把x ′=-a sin θ、x ″=-a cos θ、y ′=b cos θ、y ″=-b sin θ代入①式得：R =（a 2sin 2θ+b 2cos 2θ）32ab，取不同的θ值可以求得椭圆不同位置的曲率半径，比如把P （θ=0）和Q （θ=π）代入椭圆曲率半径公式可得：P 、Q 两点的曲率半径均为b 2a，A 、B 两点的曲率半径均为a 2b 。

人造卫星的运行与轨道人造卫星是现代科技的杰作，它们在地球轨道上忠实地执行各种任务，如通信、导航、气象监测和科学研究等。

然而，卫星的运行和轨道并非简单而机械的事情，背后涉及到复杂的科学原理和精密的计算。

本文将探讨人造卫星的运行过程、轨道类型以及相关的科学技术。

人造卫星的运行过程可以分为发射、搭载和工作三个阶段。

首先是发射阶段，即将卫星送入太空。

卫星通常由运载火箭发射，火箭的助推器将卫星送入太空轨道。

一旦进入轨道，卫星就会进入搭载阶段，指的是卫星必须与运载火箭分离并自主运行。

在这个阶段，卫星会启动自己的动力系统，调整自身的位置和方向，确保能够准确地执行任务。

最后，卫星进入工作阶段，它开始运行各种设备并执行任务，如通信、图像传输、气象观测等。

人造卫星的轨道类型多种多样，根据不同的任务需求可以选择不同的轨道。

最常见的是地球同步轨道，也称为静止轨道。

地球同步轨道位于赤道上方的高度约36000公里处，卫星在这个轨道上的速度与地球自转速度相同，因此在观测地球的过程中，卫星相对于地球保持静止不动，这样就能够提供连续的观测和通信服务。

地球同步轨道非常适用于气象卫星和电信卫星等需要连续监测和通信的任务。

除了地球同步轨道，还有许多其他的轨道类型。

低地球轨道位于地球上方约600公里至2000公里的高度范围内，卫星在这个轨道上的速度较快，绕地球一圈的时间较短。

这种轨道适合于一些需要高分辨率观测和快速数据传输的任务，如卫星导航和地球观测卫星。

中地球轨道位于低地球轨道和地球同步轨道之间的高度范围内，它是一些科学研究卫星和空间实验室的理想选择。

人造卫星的运行和轨道涉及到许多科学技术的应用。

其中，天体力学是指研究天体运动规律的学科，它为卫星的飞行轨道计算提供了基础。

通过对地球引力和运动力学的研究，科学家能够精确地计算卫星的轨道参数，包括轨道半长轴、倾角、轨道周期等。

此外，卫星的控制系统也是至关重要的，它可以通过推进剂和姿态控制设备来调整卫星的位置和方向。

与人造卫星轨道有关的物理知识一、引言人造卫星是由人类发射到地球轨道上的人造飞行器。

它们被用于多种用途，如通信、导航、气象观测、科学研究等。

人造卫星的轨道是其运行的路径，与许多物理原理和概念相关。

二、轨道的类型人造卫星的轨道可以分为地心轨道和地球同步轨道两大类。

1. 地心轨道地心轨道是指卫星绕地球飞行的轨道。

常见的地心轨道有低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）和高地球轨道（GEO）。

- 低地球轨道（LEO）：位于地球表面上方约500公里至1500公里的轨道。

这种轨道对于观测卫星和通信卫星很有用，因为它们可以更接近地球表面，提供更高的分辨率和更低的信号延迟。

- 中地球轨道（MEO）：位于地球表面上方约10000公里至20000公里的轨道。

这种轨道主要用于导航卫星，如全球定位系统（GPS）。

- 高地球轨道（GEO）：位于地球表面上方约36000公里的轨道。

这种轨道对于通信卫星最有用，因为它们可以保持与地球上某一固定点的位置相对稳定。

2. 地球同步轨道地球同步轨道是指卫星的轨道与地球自转周期相同，从地面上看，卫星似乎固定在某一点上。

这种轨道对于气象卫星非常重要，因为它们可以提供持续的观测和监测。

三、轨道的稳定性人造卫星的轨道稳定性是其正常运行的关键。

轨道稳定性取决于卫星所受到的引力和离心力的平衡。

1. 引力地球对卫星施加引力，使卫星在轨道上绕地球运动。

根据万有引力定律，引力与卫星和地球质量的乘积成正比，与距离的平方成反比。

2. 离心力卫星在轨道上的运动同时受到离心力的影响。

离心力是由于卫星绕地球运动而产生的离心效应。

离心力与卫星的质量和轨道半径的平方成正比。

3. 平衡卫星轨道的稳定性取决于引力和离心力之间的平衡。

如果离心力超过引力，卫星将离开轨道并飞离地球；如果引力超过离心力，卫星将坠入地球。

四、轨道的调整为了保持卫星在预定轨道上稳定运行，需要进行轨道调整。

1. 推进剂卫星上配备了推进剂，用于调整轨道。