卫星轨道知多少?

远洋航空

转载自“中科院地质地球所”公众号

作者：陈果

单位：中科院地质与地球物理研究所

人造地球卫星分类



就人造地球卫星来说，其轨道按高度分为三种类型：高地球轨道（HEO，地球同步轨道GEO也是一种高地球轨道）、中地球轨道（MEO）近地球轨道（LEO）。

近地球轨道从大气层顶部开始，而高地球轨道大约从地月距离的十分之一开始。



图片来源：NASA



卫星轨道高度与运动速度有关系吗？



地球轨道卫星的运动主要由地球的引力控制，卫星轨道越高，它移动的越慢。随着卫星离地球越来越近，引力的拉力越来越大，而卫星移动的速度也越快。例如NASA的Aqua卫星（轨道高度约705 Km）需要大约99分钟完成绕地一周运行；而距离地球表面36000公里的气象卫星需要23小时56分4秒完成一次绕地运行；在距离地球中心384,403公里的地方，月球在28天内完成了一个轨道。

大家可以想一想，如果一个卫星操作员想要增加卫星的轨道速度，他/她应该怎么办呢？





怎样解决这个问题呢？



如果简单地启动推进器加速卫星，会增加其轨道高度，从而减慢卫星的轨道速度。所以实际上想要增加卫星的轨道速度，需要先让卫星减速，使得卫星进入较低轨道，才能增加卫星的前进速度。

影响卫星轨道形状的另外两个因素就是偏心率和倾角了。

偏心率表示轨道与完美的圆之间的偏差。圆轨道的偏心率是0，高度偏心的轨道接近（但总是小于）1。

倾角是轨道与地球赤道的角度。一颗直接在赤道上空运行的卫星的倾斜度为零。如果一颗卫星从地理北极转到地理南极，其倾角为90度。



不同偏心率的轨道

图片来源：NASA



轨道倾角示意图

图片来源：NASA



卫星进入轨道所需能量因素有哪些？



将一颗卫星送入轨道所需的能量取决于发射场地的位置，以及轨道的高度和倾斜程度。在高地球轨道上的卫星需要更大的能量才能到达目的地。在高度倾斜轨道上的卫星，如极地轨道，比环绕地球赤道的卫星需要更多的能量。低倾角的卫星可以利用地球的自转推动它进入轨道；一颗极地轨道卫星从地球的动量中得不到任何帮助，因此需要更多的能量到达同样的高度。


卫星进入轨道需要不断调整吗？


卫星进入轨道，需要不断调整，才能保持各自的轨道的主要原因三个：引力不平衡、大气阻力和太空垃圾。

1.  由于地球不是一个完美的球体，它的重力在一些地方比其他地方更强。这种不平衡，加上太阳、月亮和木星（太阳系最大行星）的引力，将改变卫星轨道的倾斜度。

2.  低地球轨道上的卫星被大气层拖出轨道。虽然低地球轨道上的卫星穿越大气层的最上层（最薄层），但空气阻力仍然强大到足以拖曳它们，使它们靠近地球。当太阳活动变强时，大气阻力会更强。这是因为当太阳给大气层增加额外的能量时，大气会上升和膨胀，卫星就会穿过更厚的大气层，面临更多的阻力。当太阳安静的时候，低地球轨道上的卫星每年要增加大约四次轨道来弥补大气的阻力。当太阳活动达到最大时，卫星可能每2 - 3周就需要机动一次。

3.  避免可能在卫星轨道上的太空垃圾和轨道碎片。2009年2月11日，美国公司Iridium旗下的一颗通讯卫星与一颗丧失功能的俄罗斯卫星相撞，造成两颗卫星解体，产生了至少2500件碎片。据小编从美国分析图形有限公司（AGI公司是为航天工业界提供商用成品卫星分析软件的主导厂商）的网站统计数据得知，目前在轨有效载荷约为4000多个，轨道碎片却达到了35000多片。

文末福利来啦！

最后小编给大家展示一下 部分地球周围运行的有效载荷和碎片的实时分布图。图片均来自美国分析图形有限公司（AGI）网站。



1.  高地球轨道



2.  中地球轨道



3.  低地球轨道



出品：中科院地质地球所

作者：陈果

美编：王林

校对：吴建国




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