卫星变轨在转移轨道近地点的动力学分析

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  同步卫星发射通常先发射到停泊轨道,调整稳定成圆轨道后,再在预定地点启动火箭助推发动机,使卫星加速.这一过程时间较短,当速度增大到一个预设值,即关闭发动机.卫星将做离心运动,轨道半径不断变大.由于引力性质,卫星之后的运动轨道将是一椭圆,称之为转移轨道,关闭发动机后的卫星位置将是椭圆轨道的近地点,远地点在设计的卫星运行的圆形轨道上,关闭发动机时卫星速度的预设值即是满足远地点的要求.再经调控稳定后,在远地点再次开启发动机,使卫星加速到运行轨道所要求的速度.示意图如图1所示.
  以下简称停泊轨道为1,转移轨道为2,运行轨道为3.
  在变轨问题中有一个概念容易混淆,即卫星由轨道1上的A点,经短时加速后而转为沿轨道2运动,通常认为卫星经加速后,向心力增大,卫星在该点受到的万有引力不满足要求,因而做离心运动.另一观点认为卫星在该点仍能满足向心力,只是该向心力不是轨道1的半径,而是椭圆顶点的曲率圆半径,该半径要比轨道1的半径大.现就这一问题做一探讨,以及进一步讨论椭圆的其它位置的向心力问题.
  1椭圆长短轴顶点处的曲率半径
  设椭圆的半长轴为a,半短轴为b.由数学知识可求,椭圆在长轴交点处的曲率半径为R1=b2a,该半径是椭圆中最小的半径;与半短轴交点的曲率半径R2最大,R2=a2b.
  由于数学求解较为复杂,现从物理的途径加以证明.
  如图2,设一质点在一与水平面成α的斜面上,沿半径为R的圆做匀速圆周运动,速度大小为v,圆在水平面上的投影即为一椭圆,椭圆长轴平行于斜面底边,半长轴大小a=R,短轴与斜面底边垂直,大小b=Rcosα.质点投影在椭圆上的动点做变速率运动.在与长轴交点处的速率为va=vcosα,方向垂直于底边,即认为被压缩;在与短轴交点处的速度平行底边,速率仍为vb=v0.同理,在与长轴交点处的向心加速度与底边平行,不被压缩,跟沿斜面圆运动的向心加速度相同,
  由此看出a、b、c和e都是仅与L和R有关的量,一旦L给定,各量均唯一确定.用图来说明,即图5中不可能是离心率更大的虚线轨道1和离心率更小的轨道2.
  这一点与从物理角度论证是吻合的,在接下来的论述中可以看到.
  3卫星所受地球引力与各点所需向心力关系
  回到文首,讨论卫星开始沿椭圆轨道所受引力与所需向心力问题.按第一种观点是显而易见的,卫星不再沿原轨道1运动,是因为加速后所需向心力增大,引力不满足要求,所以做离心运动.而第二种观点认为,在近地点,引力恰满足卫星所需的向心力,只是该处的曲率半径由椭圆的数学性质决定的,即上面给出的r长=b2a.将a、b分别代入得r长=2LRL R.
  卫星在长轴顶点需要的向心力
  F向1=mv21r长=m·L R2LR·2GM·L(L R)R
  =GMmR2,
  这恰好等于卫星在近地点受的地球引力.因而,第二种观点也是正确的.其实由数学给出椭圆各点的曲率半径,与物理动力学理论的高度统一并非偶然,而是一种必然的结果.这一点还可以从其它各点的动力学分析得验证.
  3.1远地点卫星受到的引力恰满足需要的向心力
  (由上面推导知b2a=2RL(L R)),这一结果恰是卫星所受引力沿短轴方向的分力,另一分力改变速度的大小.
  由此不难理解,无论椭圆上的哪一点(甚至任何曲线),都有对应的相同曲率的圆,该圆的半径就是曲
  线上该点的曲率半径.从物理的角度看,一个动质点沿曲线运动,在任何一点必须满足实际运动所需要的向心力,这就是物理动力学理论与数学知识一致的必然性.
  综合以上分析,卫星在转移轨道的近地点的动力学问题所给的两种观点,从实际效果看,无论是不满足原来的轨迹圆做离心运动,还是沿一个半径更大的圆运动,后一种并不能得到引力的维持,仅在近地点满足,其结果都说明轨迹是半径不断增大的曲线,而这个曲线正是椭圆.
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