物理學(xué)院淺析衛(wèi)星變軌問(wèn)題的處理

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　　摘 要：處理衛(wèi)星變軌問(wèn)題，關(guān)鍵是判斷離心還是向心運(yùn)動(dòng)，從而確定衛(wèi)星由較低的圓軌道進(jìn)入較高的圓軌道，還是由高軌道進(jìn)入低軌道，從而確定半徑變化情況。當(dāng)增大軌道半徑(即增大軌道高度h)，一定要給衛(wèi)星增加能量，克服重力做功，增加重力勢(shì)能。但當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入高軌道運(yùn)行，衛(wèi)星的各運(yùn)動(dòng)參量也隨之發(fā)生變化，反之亦然。

　　關(guān)鍵詞：圓周運(yùn)動(dòng); 離心和向心; 線(xiàn)速度; 角速度; 周期

　　天體運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)的一部分，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)就是圓周運(yùn)動(dòng)，研究衛(wèi)星的變軌問(wèn)題，實(shí)際就是圓周運(yùn)動(dòng)中離心和向心的應(yīng)用。因此我們需要弄清離心和向心運(yùn)動(dòng)。

　　一、離心和向心運(yùn)動(dòng)

　　做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要的向心力F=mv2/r(m是物體的質(zhì)量，v是物體做圓周運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速度，r為做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑)，當(dāng)提供的向心力F=mv2/r時(shí)，物體做圓周運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)F≠mv2/r時(shí)，則有下列兩種情況：

　　1.當(dāng)提供的向心力F>mv2/r時(shí)，物體就做向心運(yùn)動(dòng)(即離圓心越來(lái)越近);2.當(dāng)提供的向心力F　　二、人造地球衛(wèi)星工作原理

　　繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的人造衛(wèi)星所需向心力由萬(wàn)有引力提供，則可以確定衛(wèi)星線(xiàn)速度為v=、周期為T(mén)=2π、向心加速度為a=。當(dāng)衛(wèi)星軌道半徑r確定后，與之對(duì)應(yīng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)參量也都是確定的。一旦衛(wèi)星發(fā)生變軌(即軌道半徑r發(fā)生變化)，上述物理量都將隨之變化。同理，只要上述物理量之一發(fā)生變化，另外幾個(gè)物理量也必將隨之變化。在高中物理中，我們會(huì)涉及到人造衛(wèi)星的兩種變軌問(wèn)題。分別是軌道漸變和軌道突變，下面我們就來(lái)研究這兩種變軌問(wèn)題。

　　三、衛(wèi)星軌道漸變

　　由于某個(gè)因素的影響(如空氣阻力或發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣)，使衛(wèi)星的軌道半徑發(fā)生緩慢的變化(可以是逐漸增大或逐漸減小)，由于半徑變化緩慢，衛(wèi)星每一周的運(yùn)動(dòng)仍可以看作是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，但衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的各參量逐漸發(fā)生變化。

　　解決此類(lèi)問(wèn)題，首先要判斷這種變軌是離心還是向心(即軌道半徑是增大還是減小)，然后再判斷衛(wèi)星的其他相關(guān)物理量如何變化。

　　如人造衛(wèi)星繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，無(wú)論軌道多高，都會(huì)受到稀薄大氣的阻力作用。衛(wèi)星就會(huì)自動(dòng)變軌，偏離原來(lái)的圓周軌道，衛(wèi)星逐漸靠近地面，從而引起各個(gè)運(yùn)動(dòng)參量的變化。

　　由于這種變軌的起因是阻力，阻力對(duì)衛(wèi)星做負(fù)功，使衛(wèi)星速度減小，所需要的向心力減小了，而萬(wàn)有引力大小沒(méi)有變，因此衛(wèi)星將做向心運(yùn)動(dòng)，即半徑r將減小。從而萬(wàn)有引力做正功，且大于克服空氣阻力做的功，所以衛(wèi)星的動(dòng)能增加，衛(wèi)星線(xiàn)速度v將增大，周期T將減小，向心加速度a將增大。

　　四、衛(wèi)星軌道突變

　　由于航天的需要，需要將衛(wèi)星送入高軌道運(yùn)行，這就需要在適當(dāng)?shù)奈恢枚虝r(shí)間啟動(dòng)飛行器上的發(fā)動(dòng)機(jī)，使飛行器軌道發(fā)生突變，使其到達(dá)預(yù)定的目標(biāo)。

　　如發(fā)射同步衛(wèi)星時(shí)，通常先將衛(wèi)星發(fā)送到近地軌道Ⅰ，使其繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速率為v1，第一次在P點(diǎn)點(diǎn)火加速，在短時(shí)間內(nèi)將速率由v1增加到v2，使衛(wèi)星進(jìn)入橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ;衛(wèi)星運(yùn)行到遠(yuǎn)地點(diǎn)Q時(shí)的速率為v3，此時(shí)進(jìn)行第二次點(diǎn)火加速，在短時(shí)間內(nèi)將速率由v3增加到v4，使衛(wèi)星進(jìn)入同步軌道Ⅲ，繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

　　第一次加速：衛(wèi)星需要的向心力增大了，但萬(wàn)有引力沒(méi)變，因此衛(wèi)星將開(kāi)始做離心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入橢圓形的轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ，點(diǎn)火的過(guò)程就是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，速度迅速增加。衛(wèi)星開(kāi)始變軌。

　　在轉(zhuǎn)移軌道上，衛(wèi)星從近地點(diǎn)P向遠(yuǎn)地點(diǎn)Q運(yùn)動(dòng)過(guò)程，只受重力作用，由于機(jī)械能守恒，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需克服重力做功，重力勢(shì)能增加，動(dòng)能減小，速度減小。在遠(yuǎn)地點(diǎn)Q時(shí)如果不進(jìn)行再次點(diǎn)火，衛(wèi)星將繼續(xù)沿橢圓軌道運(yùn)行，從遠(yuǎn)地點(diǎn)Q回到近地點(diǎn)P，不會(huì)自動(dòng)進(jìn)入同步軌道。這種情況下衛(wèi)星在Q點(diǎn)受到的萬(wàn)有引力大于以速率v3沿同步軌道Q點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所需要的向心力，因此衛(wèi)星做向心運(yùn)動(dòng)。

　　為使衛(wèi)星進(jìn)入同步軌道，在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到Q點(diǎn)時(shí)，必須再次啟動(dòng)衛(wèi)星上的小火箭，短時(shí)間內(nèi)使衛(wèi)星的速率由v3增加到v4，使它所需要的向心力增大到和該位置的萬(wàn)有引力相等，這樣就能使衛(wèi)星進(jìn)入同步軌道Ⅲ而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

　　五、與玻爾理論類(lèi)比

　　人造衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由萬(wàn)有引力提供，電子繞氫原子核做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由庫(kù)侖力提供。萬(wàn)有引力和庫(kù)侖力都遵從平方反比率：F=和F=，因此關(guān)于人造衛(wèi)星的變軌和電子在氫原子各能級(jí)間的躍遷，分析方法是完全一樣的。(1)電子的不同軌道，對(duì)應(yīng)著原子系統(tǒng)的不同能級(jí)E，E包括電子的動(dòng)能Ek和系統(tǒng)的電勢(shì)能Ep，即E=Ek+Ep。(2)量子數(shù)n減小時(shí)，電子軌道半徑r減小，線(xiàn)速度v增大，周期T減小，向心加速度a增大，動(dòng)能Ek增大，電勢(shì)能Ep減小，原子向相應(yīng)的低能級(jí)躍遷，要釋放能量(輻射光子)，因此氫原子系統(tǒng)總能量E減小。由E=Ek+Ep可知，該過(guò)程Ep的減小量一定大于Ek的增加量。反之，量子數(shù)n增大時(shí)，電子軌道半徑r增大，線(xiàn)速度v減小，周期T增大，向心加速度a減小，動(dòng)能Ek減小，電勢(shì)能Ep增大，原子向相應(yīng)的高能級(jí)躍遷，要吸收能量(吸收光子)，因此氫原子系統(tǒng)總能量E增大。由E=Ek+Ep可知，該過(guò)程Ep的增加量一定大于Ek的減少量。

　　總之，處理衛(wèi)星變軌問(wèn)題，關(guān)鍵是判斷離心還是向心運(yùn)動(dòng)，從而確定衛(wèi)星由較低的圓軌道進(jìn)入較高的圓軌道，還是由高軌道進(jìn)入低軌道，從而確定半徑變化情況。當(dāng)增大軌道半徑，屬于離心運(yùn)動(dòng)，需要給衛(wèi)星增加能量，克服重力做功，增加重力勢(shì)能。但當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入高軌道運(yùn)行，衛(wèi)星的各運(yùn)動(dòng)參量也隨之發(fā)生變化。反之，減小衛(wèi)星軌道半徑(減小軌道高度)，屬于向心運(yùn)動(dòng)，需要減小動(dòng)能，重力做正功，重力勢(shì)能減小，但當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入低軌道運(yùn)行，衛(wèi)星的各運(yùn)動(dòng)參量也隨之發(fā)生變化

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]甄學(xué)霞.衛(wèi)星變軌問(wèn)題中幾個(gè)速度大小的比較[J]《物理教學(xué)探討》第29卷，總第421期，2011年第7期(上半月)

　　[2]韓靜波衛(wèi)星變軌問(wèn)題的直觀(guān)認(rèn)識(shí)和教學(xué)探討[J]《物理教師》，2011年第11期

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