人造卫星的轨道转换分析

张志坚

关键词：人造卫星；轨道；转换

人造卫星的轨道转换问题，属于科学研究的关键技术，卫星发射期间，速率变化明显，导致轨道转换存有不稳定的情况，必须规划好人造卫星的轨道，才能保障转换的稳定性与准确性，完善人造卫星的轨道转换，提高卫星运行的效率。

一、人造卫星发射与轨道转换的关系

人造卫星与地球表面的距离比较远，高度达到了36000km，现阶段，人造卫星发射时，经常采取变轨发射的方法，掌握人造卫星发射与轨道转换的关系，才能保障后期轨道转换的合理性与稳定性，以免出现偏离轨道的问题[1]。人造卫星从地球表面发射时，卫星的运行轨道，最先要进入200km~300km的高度区域内，沿着运行轨道，进入平稳的运行状态，在此基础上，卫星运行到赤道的平面时，点燃末级的火箭，向人造卫星提供运行动力，推动卫星，进入大椭圆轨道，轨道转换点，必须在距离赤道上空36000km的位置。人造卫星在轨道上运行时，如果要达到远地点，就要启动人造卫星上自带的发动机，利用发动机，提供变轨动力，完成同步轨道运行的过程。人造卫星发射与轨道转换关系的研究过程中，一定要注意，人造卫星并不是始终处于匀速圆周的状态，其需要发射的速度，完成轨道转换，经过轨道转换后，在运行轨道上，达到运行平衡的状态。

二、人造卫星轨道转换中能量、速率分析

能量和速率，是人造卫星轨道转换时的重要因素，从人造卫星轨道转换上，分析能量与速率的变化关系。

1、能量

人造卫星轨道转换时，遵循能量守恒的原则，重点分析轨道转换过程中，人造卫星的能量变换，如：人造卫星，从近地轨道，转换到远地轨道时，借助点火加速的条件，从能量守恒的角度来分析，机械能增加，点火的内能，会转换为人造卫星的动能，促使人造卫星具有轨道转换的能量，进而变换到新的轨道中，人造卫星能量分析中，其克服引力做功时，速度会减小，此时动能会转换为势能，促进卫星变轨后的稳定运行[2]。人造卫星在地球上方轨道中，做圆周运动，其能量中，分为两种机械能，分别是动能和万有引力势能，轨道变换的条件就是改变机械能，通过改变动能的方法，实现卫星轨道变换，例如：人造卫星在圆周运行轨道中，从近地点变为远地点轨道，机械能守恒的条件下，卫星与地球表面的距离变大，此时人造卫星需要把动能转换成重力势能，动能减少，引力势能会增加，近地点和远地点，始终遵循机械能守恒的原则，改变动能和势能，完成轨道变换。

2、速率

人造卫星保持匀速圆周的运行状态时，掌握卫星的实际速度，人造卫星转换轨道时，就要具备一定的动力速度，而且速度必须大于匀速圆周时的运行速度，此时就要利用火箭点火的方式，提供大于原有运行速率的速度，也就是在轨道转换时，向人造卫星提供第二宇宙速度，此时轨道转换位置的卫星，向心力超过万有引力，推动人造卫星离心运动，在该速率的作用下，完成一次轨道转换。

人造卫星运动和离心的过程中，来自于地球的万有引力与速度相反，属于做负功的状态，引力不变，在引力作用下，人造卫星的速率逐渐降低，速度变化后，速度方向和万有引力无法垂直，人造卫星需在新轨道上，运行一段时间后，才能达到圆周运行的状态[3]。人造卫星轨道转换时，速率和万有引力的垂直点位置，人造卫星的速度，要小于轨道的要求速度，该条件下，促使人造卫星在万有引力下，保持向心运动的状态，人造卫星改变了大椭圆的运行状态，进入匀速圆周的运行状态，此类轨道转换的过程比较复杂，受速率影响比较大。

人造卫星轨道转换中，速率是不可忽视的因素，利用人造卫星的速率，人造卫星在大椭圆轨道中，选择任意点，就可以完成轨道变换，大椭圆轨道中，近地点、远地点位置，人造卫星是圆形的运行状态，为了维持平稳的轨道运行，就要在近地点减速、远地点加速，明确速率与轨道转换的关系，通过速率，调整人造卫星的轨道转换方式。

三、人造卫星轨道转换的运动过程

人造卫星的运行轨道转换中，涉及到从低轨道到高轨道、高轨道到低轨道等状态，改变人造卫星的速率和能量，实现轨道转换的运动过程。人造卫星轨道转换的运行过程中，也存在一些不稳定的因素，针对卫星的运行，提出空间运动正规化的要求，目的是解决人造卫星轨道转换中的运动问题，维持稳定、高效的运动方式。从人造卫星轨道转换路径上，其运动过程可以分为一般轨道、对地静止轨道、太阳同步轨道，不同的轨道，其运动过程也存在差异，人造卫星到运行轨道的过程中，分为发射轨道、入轨点以及运行轨道，当人造卫星进入到运行轨道后，才可完成卫星发射的过程，而轨道变换，就是发生在人造卫星的寿命期内。

人造卫星轨道转换的运行过程中，其可分为顺行轨道和逆行轨道两种。顺行轨道中，人造卫星距离地球比较近，也就是在近地轨道上运行、转换，轨道倾角低于90°，在转换卫星轨道时，除了考虑速率和能量外，也要注意交叉的处理，以免人造卫星偏离正常的轨道，确保轨道转换的准确性。逆行轨道，轨道倾角高于90°，卫星到逆行轨道的转换，规定了火箭点火发射的速率，必须是西南方向，为了完成逆行轨道转换，还要克服地球的自传影响，此类轨道转换，常见于太阳同步轨道中，期间能量损耗比较大。人造卫星轨道转换的运行过程中，不确定因素比较多，全面了解人造卫星的轨道运行后，设计轨道转换的方案，把控好轨道转换的实践操作，确保轨道转换的高效性，提高人造卫星的轨道运行水平。

结束语：

人造卫星从发射到运行的过程中，都要注重轨道转换，确保人造卫星在轨道中的可靠性及安全性，提高轨道转换的质量，消除潜在的风险问题。不同类型的人造卫星，轨道转换的情况也不同，灵活研究人造卫星的轨道转换，提升人造卫星运行的质量和水平。

参考文献：

[1]伍青松.人造卫星的轨道转换[J].考试周刊,2014,(84):136.

[2]周垂红.环绕型探测器轨道力学及其在航天任务中的应用[D].南京大学,2013.

[3]成璇.基于正规化的轨道研究[D].中国科学院研究生院（国家授时中心）,2015.