航 天 篇

 

卫星运动与陀螺旋转

 

卫星能否入轨,速度是关键。卫星轨道的形状和大小,则完全取决于入轨点处卫星的高度和速度。如果要使卫星沿着圆形轨道飞行,不仅速度大小要正好等于入轨点处的当地环绕速度,而且速度方向要和入轨点处的地平线平行。这两个条件必须同时满足,缺一不可。
如果设计的卫星轨道是圆轨道,但入轨时速度比当地环绕速度大,则入轨点就变椭圆轨道的近地点,卫星绕过半个圈就到达远地点。入轨速度比环绕速度大得越多,远地点就越远,轨道就越扁。如果入轨时速度比当地环绕速度小,入轨点就变成远地点,卫星飞离地球越近,绕半圈就到达近地点。速度越小,近地点的高度就越低。当低于100公里,进入大气层,就会导致卫星发射的失败。所以在设计卫星轨道时,~般都是使入轨道速度大些。与其使入轨点变成远地点,不如使其变成近地点。
如果速度大小正好,但是方向偏离了当地水平线,那么轨道也会成为椭圆。这个椭圆的长半轴与预期的圆轨道半径相等,而入轨点既非近地点也非远地点。在这种情况下,无论速度方向是向上还是向下,轨道近地点的高度都比入轨点的高度低。这样也存在着轨道穿入大气层而导致卫星发射失败的危险,因此应力求减小入轨点速度方向向上或向下的偏差。
发射椭圆轨道的办法也同样是控制入轨点的速度和速度方向。入轨点的高度总是取近地点的高度,也就是卫星在近地点入轨,这样发射起来比较方便,根据轨道近地点和远地点的高度要求,就可以计算出入轨点应该达到的高度,入轨点速度方向应该同入轨点处的地平线平行。
由于地球的自转,地面上的物体,包括离开地面正在运动的物体,例如天空飞翔着的飞鸟,飘浮着的云彩,以及整个大气层,都毫无例外地随着地球一起旋转。但是这种"坐地日行八万里"的现象对人造地球卫星来说是有点例外的。人造地球卫星在其轨道内的运行,不受地球自转的牵连。卫星的轨道面好像一个旋转着的圆盘,具有定向一样,始终保持一定的方位。
地球每小时转动150,假定卫星的运行周期是120分钟,那么在卫星绕地球一周的时间内,地球向东转了 300。如果卫星出发时"看到"的地面是东海之滨的上海,那么运行一周回到出发点时,卫星已经处在世界屋脊的古城拉萨的上空了。一天之中卫星转了 12周,而地球转了 3600,卫星又恰好回到上海的上空。因此利用轨道面的不动和地球的自转,卫星就能从东到西,自南到北,博览全球了。
轨道面的这种特性如何解释?我们知道,运动是绝对的,静止是相对的,卫星轨道面不转动,这是由于人造地球卫星还没有完全摆脱地球的吸引力。卫星在绕地球旋转中,在地球引力的作用下,卫星轨道面就保持它在惯性空间的固有方位。
上面所说的卫星轨道面具有定向性,只是一种理想的情况,它是以地球是一个正圆球这一假设为前提的。实际上地球不是一个正球体,而是一个椭球体,两极比较扁平,中间赤道部分比较鼓起。这鼓超部分对卫星产生了额外的吸引力,使轨道面慢慢转动,破坏了轨道面的定向性。轨道面的这种转动称为轨道面的进动。
卫星轨道面的进动与陀螺旋转的情况相似。陀螺在地面旋转的时候,它的旋转也同时绕另一个中心旋转。但旋转轴的旋转速度要慢得多。卫星绕地球旋转时,卫星绕地球的旋转轴(通过地球中心垂直于卫星轨道平面的一根直线)也像陀螺的旋转轴转动一样,绕着地球自转轴转动。它的旋转速度比地球自转速度慢得多了。这样,卫星的轨道倾角虽然不变,但卫星的轨道面的位置就不断发生变化。
轨道面的进动速度与轨道倾角、高度和形状有关。倾角小,进动快。如果轨道倾角是990,而高度是920公里的接近极地圆形轨道,那么轨道面每天顺着地球自转进动10。卫星对着太阳照射方向,因公转每天顺向转动1"恰好同步,而使太阳对轨道面的照射方向保持不变。这样一来,太阳的高度也是恒定的,不因卫星绕太阳公转而发生变化,使卫星始终在同样的光照条件下观测地面。这种轨道就是目前许多地球进行照相观测的卫星所采用的太阳同步轨道了。

 

 
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