浅析地球卫星发射及其运行

2015-08-14河北栾城中学刘峰娟

学苑教育 2015年11期

关键词：向心力赤道角速度

河北栾城中学刘峰娟

随着我国航天事业的蓬勃发展，地球周围已有很多卫星，那么卫星是怎样发射的？常见的卫星运行轨道有哪些？本文将一一进行剖析。

一、卫星是如何发射的

卫星发射要靠火箭运载，其发射过程大致可以分为垂直起飞、转弯飞行、进入轨道共三个步骤。

图1 卫星的发射

在第一级火箭开始燃烧时，也就是发射之初，一般采用垂直起飞，因为地球表面大气层较厚，对火箭的阻力比较大，采用这种方法能尽快离开大气层。穿出大气层后，第二级火箭点火继续加速，当火箭具有足够大速度时，第二级火箭脱落。这时在地面控制站的操作下，火箭偏离了原来的竖直方向开始转弯。当火箭到达预定轨道位置时，第三级火箭开始点火，从而使卫星具有在预定轨道内运行所需的速度，从而进入轨道。

二、常见的卫星运行轨道有哪些

地球卫星进入运行轨道后，从卫星的运行轨道来看有极地轨道、赤道轨道、一般轨道三类。无论是哪种卫星，其运行轨道都必须以地心为圆心。

1.卫星的运行规律。

一般地，卫星的绕行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a与轨道半径 r有关，可通过以下推导来帮助理解：

设地球质量为M，依据万有引力提供向心力可以找出卫星的绕行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a与轨道半径 r的关系。

图2 卫星的轨道

以上规律可总结为这样的口诀：“高轨低速长周期”。即“高轨”就是轨道半径越大，“低速”指线速度、角速度、向心加速度越低，“长周期”指周期就越长。

2.近地卫星。

那么如果卫星轨道半径r越小，距地面高度就越低，最小的轨道半径就成为地球半径，我们称这样的卫星为近地卫星。

由于近地卫星的轨道半径r最小，半径刚好是地球半径R，这时就有最大的运行线速度v，最小的运行周期T。

3.同步卫星。

相对地球静止的卫星可称为是地球同步卫星。所以地球同步卫星特点如下：卫星与地球某地保持静止，那么在石家庄的上空有没有可能存在地球同步卫星？或者说在赤道轨道的上边或下边有没有可能存在地球同步卫星？如图3所示：

图3 同步卫星

因为同步卫星与地球运行的角速度相同，地球又是自西向东转的，所以就决定了地球同步卫星的运行轨道与地球的纬度平行。若在石家庄上空有同步卫星就是如图的B点位置，则此卫星在B点所在的纬度平面轨道上运动。而同步卫星又在做圆周运动，其向心力是由万有引力提供的，万有引力方向指向地心，也就是向心力方向也指向地心。B点的向心力应是F所指方向，但是向心力由万有引力提供，应指向地心方向。综上在石家庄上空不可能有地球同步卫星，地球同步卫星只能在A点所在纬度平面内即赤道平面运动。

4.同步卫星轨道高度的确定。

已经知道地球同步卫星的周期T=24h和实际的运行轨道，若地球质量为M，地球半径为R，周期为T，可利用万有引力完全充当向心力计算出地球同步卫星距离地面的高度。