扶搖直上九萬里——詳解航天器的運行軌道

每當遇到航天發射的“大事件”,無論是胖五、獵鷹、航天飛機,還是最近運氣稍差的長征七號改,各種火箭和航天器的性能數據令人馬君眼花繚亂,其中以LEO、SSO、GTO等以“O”結尾的字符串出現頻率最高,往往成為航天迷秀知識秀水平的必殺技。

扶搖直上九萬里——詳解航天器的運行軌道

航天飛機發射

人馬君並非航天專業人士,但卻有一顆技術控的內心,拜讀過幾本專業書籍,於是迫不及待的為大家解釋一下各種“O”的含義:所謂LEO、GTO等,都是指航天器的運行軌道,“O”就是Orbit,下面為大家講一講它們的來龍去脈:

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五花八門的衛星軌道

宇宙速度

說到軌道,就不能不提宇宙速度。一個飛行物,至少得擺脫地球引力的束縛,才具有了被稱作“航天器”的資格,於是就有了宇宙速度的概念。當航天器剛好位於一個以地球半徑為半徑的圓軌道時,其速度為7.91 km/s,這是航天俱樂部的入場券,比第一宇宙速度低的話,遲早會落回地球,變成一發彈道導彈。實際上,由於大氣層的存在,航天器的軌道高度至少要高出地面幾百公里,其發射速度須大於第一宇宙速度。

如果航天器在地球表面的速度超過了11.18公里,將以拋物線軌道脫離地球,成為太陽的一顆“行星”,因此該速度被稱為第二宇宙速度;而如果在地球表面速度超過了16.6公里,則會以雙曲線軌道飛離地球,最終飛出太陽系,該速度被稱為第三宇宙速度。

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宇宙速度與軌道形狀

需要注意的是,宇宙速度指的都是在地球表面的速度,實際發射時不可能貼著地皮飛,而在不同高度處,圓軌道速度和從地球逃逸的速度也不同。

當一個航天器的發射速度高於第一宇宙速度後,根據發射速度的高低,它將進入不同高度的的軌道,而根據軌道傾角的不同,又出現了極地軌道和太陽同步軌道的概念,以下將詳細介紹。

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常見的衛星軌道

近地軌道LEO,中地球軌道MEO,高地球軌道HEO

這是按軌道高度(距地面)劃分的軌道類型,其中LEO也稱為低地球軌道,只要軌道高度在200~1200公里之間,都屬於近地軌道,因為高度低,所以都是近圓軌道。人類發射的大部分衛星、空間站都運行在近地軌道,我們在報道中看到的某某火箭的近地軌道運載能力,通常指的是把載荷送上200~250公里高度的軌道的能力,這也是比較常用的停泊軌道。

與近地軌道對應的還有中地球軌道(1200~36000公里,MEO)和高地球軌道(36000公里,HEO,即地球同步軌道GEO)。

地球同步軌道GEO,地球靜止軌道GSO,地球同步轉移軌道GTO

這三位都是衛星軌道界的高端人士。我們知道,當圓形軌道的高度達到35786公里,也就是通常說的大約36000公里時,衛星繞地球一圈的時間恰好是24小時,與地球自轉速度相同,因此被稱為地球同步軌道(GEO)。而如果GEO的軌道傾角恰好是0,也就是衛星沿地球赤道旋轉的話,在地面上看會發現衛星靜止在天空中的某個點,因此被稱為地球靜止軌道(GSO)。地球靜止軌道的價值非常明顯,廣泛應用於通信、氣象和數據中繼等衛星。需要注意的是,由於各種擾動和攝動的存在,衛星保持在靜止軌道上是比較難的,需要不斷使用自身動力進行修正,一旦燃料耗盡,這顆衛星的壽命也就到頭了。

那麼什麼是地球同步轉移軌道(GTO)呢?這是由於運載火箭不會直接將衛星送上地球同步軌道,這樣做的代價太大了,而是先將其送到近地點約200公里,遠地點約36000公里的過渡軌道,再通過上面級或衛星自身的動力不斷提高近地點高度,直到“爬上”同步軌道。這條過渡軌道就被稱為地球同步轉移軌道。

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地球同步衛星的入軌

報道中經常提到的各類重型火箭的GTO運載能力,就是指將衛星和上面級送上地球同步轉移軌道的能力,至於後面的事,靠自己吧!

極地軌道PO,太陽同步軌道SSO

軌道傾角在90度附近的軌道稱為極地軌道(PO),極地軌道上的衛星每一圈都會經過南北兩極,因此可以俯瞰整個地球表面,氣象、導航和資源衛星常用這種軌道。

太陽同步軌道(SSO)比較複雜一些,由於地球不是一個完美的球體,而是一個扁橢球體,在赤道方向略鼓,因此造成衛星的軌道平面會繞著地球自轉軸進動,如果進動的週期剛好與地球公轉的週期相同(即大約365天),這個軌道就成為一個太陽同步軌道。太陽同步軌道有一些特殊的好處:衛星在同一方向經過同一緯度的時刻是相同的,如果再設計成迴歸軌道(即星下點軌跡週期性重複),那麼衛星每次經過某一地點上空時的時刻都是相同的,這對於偵察衛星、氣象衛星和資源衛星來說是極大的好處。

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我國的太陽同步軌道衛星發射方向

但太陽同步軌道的傾角大於90度,一般在98度附近(高度約600~800公里),在我國一般向西南發射,這就意味著是一種退行軌道,即衛星旋轉方向與地球自轉方向相反,發射時借不上自轉的好處,還需要克服它,因此在同等軌道高度和衛星重量的條件下需要推力更大的火箭。

環月、登月軌道

常用的登月軌道是首先將航天器發射到環繞地球的停泊軌道,然後擇機加速,進入一個大橢圓軌道,即登月軌道,將航天器進入月球引力作用範圍時,需要相對月球進行減速,進入環繞月球軌道。如果需要在月面軟著陸,還需要利用制動火箭,向月面降落。

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環月、登月軌道

以上列舉了N個常見的航天器軌道,其實還存在火星、木星探測等需要的行星際軌道和飛離太陽系軌道,篇幅所限,人馬君只能下次再奉送了,相信這次已經能讓各位在討論航天新聞時好好的裝上一裝,注意語氣要平靜哦!


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