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小议“卫星变轨”
随着我国航天事业的发展,天体的发射和运转问题得到各地高考命题专家的青睐,而卫星在发射过程中的重要一环——变轨也成了考试的热点。但卫星变轨问题对很多学生来说一直是较难理解和掌握的知识点,特别是轨道衔接点的物理量的变化问题。下面笔者就此具体的解释,以便能帮助读者更好地理解。
  一、轨道的渐变问题
  卫星在运动过程中,由于某个因素的影响使原来做匀速圆周运动的卫星的轨道半径发生缓慢的变化(逐渐增大或逐渐减小),尽管轨道半径发生变化,卫星每一周的运动仍可以看做是匀速圆周运动。
  解决此类问题,首先要判断这种变轨是离心还是向心,即轨道半径r是增大还是减小,然后再判断卫星的其他相关物理量如何变化。
  如:人造卫星绕地球做匀速圆周运动,无论轨道多高,都会受到稀薄大气的阻力作用。如果不及时进行轨道维持(即通过启动星上小型发动机,将化学能转化为机械能,保持卫星应具有的状态),卫星就会自动变轨,偏离原来的圆周轨道,从而引起各个物理量的变化。这种变轨的起因是阻力。阻力对卫星做负功,使卫星速度减小,卫星所需要的向心力f向=mυ2r减小了,而万有引力f万=gmmr2的大小没有变,因此卫星将做向心运动,轨道半径r将减小。
  卫星线速度υ=gmr将增大,周期t=2пr3gm将减小,向心加速度a=gmr2将增大,动能ek将增大,势能ep将减小,有部分机械能转化为内能(摩擦生热),卫星机械能e机将减小。
  为什么卫星克服阻力做功,动能反而增加了呢?这是因为一旦轨道半径减小,在卫星克服阻力做功的同时,万有引力将对卫星做正功,且做的正功远大于克服空气阻力做的功,外力对卫星做的总功是正的,因此卫星动能增加。Www.11665.cOM根据e机=ek+ep,该过程重力势能的减少总是大于动能的增加。
  相关题目:俄罗斯“和平号”轨道空间站因超期服役和缺乏维持继续在轨道运行的资金,俄政府于2000年底作出了将其坠毁的决定,坠毁过程分两个阶段,首先使空间站进人无动力自由运动状态,因受高空稀薄空气阻力的影响,空间站在绕地球运动的同时缓慢向地球靠近,2001年3月,当空间站下降到距地球320km高度时,再由俄地面控制中心控制其坠毁。“和平号”空间站已于2001年3月23日顺利坠入南太平洋预定海域。在空间站自由运动的过程中
  ①角速度逐渐减小 ②线速度逐渐减小 ③加速度逐渐增大
  ④周期逐渐减小 ⑤机械能逐渐增大
  以上叙述正确的是
  a、①③④ b、②③④ c、③④⑤ d、③④
  总结:人造卫星及天体的运动都近似为匀速圆周运动。当天体做变轨运动时关键看轨道半径的变化,然后根据公式判断线速度、角速度和周期的变化。
  二、轨道的突变问题
  由于技术上的需要,有时要在适当的位置短时间启动飞行器上的发动机,使飞行器轨道发生突变,使其进入预定的轨道。
  如:发射同步卫星时,可以先将卫星发送到近地轨道ⅰ,使其绕地球做匀速圆周运动,速率为υ1;变轨时在p点点火加速,短时间内将速率由υ1增加到υ2 ,使卫星进入椭圆形的转移轨道ⅱ;卫星运行到远地点q时的速率为υ3;此时进行第二次点火加速,在短时间内将速率υ3由增加到υ4,使卫星进入同步轨道ⅲ,绕地球做匀速圆周运动。
  在转移轨道上,卫星从近地点p向远地点q运动过程只受重力作用,机械能守恒。重力做负功,重力势能增加,动能减小。在远地点q处,如果不进行再次点火加速,卫星将继续沿椭圆形轨道运行,从远地点q回到近地点p,不会自动进入同步轨道。这种情况下卫星在q点受到的万有引力大于以速率υ3沿同步轨道运动所需要的向心力,因此卫星做向心运动。
  为使卫星进入同步轨道,在卫星运动到q点时必须再次启动卫星上的小火箭,短时间内使卫星的速率由υ3增加到υ4,使它所需要的向心力f向=mυ24r增大到和该位置的万有引力大小恰好相等,这样才能使卫星进入同步轨道ⅲ做匀速圆周运动。该过程再次启动火箭加速,又有化学能转化为机械能,卫星的机械能再次增大。
  结论是:要使卫星由较低的圆轨道进入较高的圆轨道,即增大轨道半径(增大轨道高度h),一定要给卫星增加能量。与在低轨道ⅰ时比较(不考虑卫星质量的改变),卫星在同步轨道ⅲ上的动能ek减小了,势能ep增大了,机械能e机也增大了。增加的机械能由化学能转化而来。
  (1)飞船在椭圆轨

1上运行,q为近地点,p为远地点,当飞船运动到p点时点火,使飞船沿圆轨道2运行,以下说法正确的是:
  a.飞船在q点的万有引力大于该点所需的向心力
  b.飞船在p点的万有引力大于该点所需的向心力
  c.飞船在轨道1上p的速度小于在轨道2上p的速度
  d.飞船在轨道1上p的加速度大于在轨道2上p的加速度
  解析 飞船在轨道1上运行,在近地点q处飞船速度较大,相对于以近地点到地球球心的距离为半径的轨道做离心运动,说明飞船在该点所受的万有引力小于在该点所需的向心力;在远地点p处飞船的速度较小,相对于以远地点到地球球心为半径的轨道飞船做向心运动,说明飞船在该点所受的万有引力大于在该点所需的向心力;当飞船在轨道1上运动到p点时,飞船向后喷气使飞船加速,万有引力提供飞船绕地球做圆周运动的向心力不足,飞船将沿椭圆轨道做离心运动,运行到轨道2上,反之亦然,当飞船在轨道2上的p点向前喷气使飞船减速,万有引力提供向心力有余,飞船将做向心运动回到轨道1上,所以飞船在轨道1上p的速度小于在轨道2上p的速度;飞船运行到p点,不论在轨道1还是在轨道2上,所受的万有引力大小相等,且方向均于线速度垂直,故飞船在两轨道上的点加速度等大。(2)假设由于飞船的特殊需要,美国的一艘原来在圆轨道运行的飞船前往与之对接,则飞船一定是:
  a.从较低轨道上加速 b.从较高轨道上加速
  c.从同一轨道上加速 d.从任意轨道上加速
  解析 由(1)题的分析可知,飞船应从低圆规道上加速,做离心运动,由椭圆轨道运行到较高的圆轨道上与飞船对接。
  总之,要解决卫星变轨运动时,要注意区别卫星在圆轨道上的稳定运行(条件是 )与在椭圆轨道上的近心运动及离心运动,还有从能量的角度分析。
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  •  更新时间:2013-10-17 10:44:27  作者:佚名 [标签: 变轨 人造卫星 变轨 问题 变轨 变轨 ]
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