卫星变轨

卫星在轨期间自主改变运行轨道的过程称为变轨。卫星轨道是椭圆，节省发射火箭燃料的方法，可以先发射火工的婷助措民到大椭圆轨道,卫星处于远地点的时候，卫星上面的姿态调整火箭点火，这样卫星的轨道变成需要的高度。变轨可以多次，这就需要精确计算卫星变轨的时间，由地面指令控制。受地球引力影响，人造卫星、宇宙飞船(包括空间站)运行轨道会以每天 100米左右的速度下降。这样将会影响人造卫星、宇宙最然磁飞船(包括空间站)的正常工作。在轨道运行来自的过程中，常常需要变轨。变轨除了能规避"太空垃圾"对360百科其的伤害外，主要是车为了保证其运行的寿命。

基本简介

　　卫星在轨期间自主改变运行轨道的过程称为变轨。

相关信息

　　卫星轨道是椭圆，节省发射火箭燃料的方法，可以先发射到大椭圆轨道，卫星处于远地点的时候，卫星上面的姿态调整火箭点火，这样卫星的轨道变成需要的高度。变轨可以多次，这就需要精确计算卫星变轨的时间，由地面指令控制。

举例

　　人造卫星处助、宇宙飞船（包括空间站）在轨道运行的讲体过程中，常常需要变轨。除了规避“太空垃圾”对其的伤害外，主要是为了保证其运行的寿命。据介绍，由于受地球引力影响，人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）运行轨道会以每天 100米左右的速度下降。这样将会影响人造卫星、宇宙飞船尔杨困（包括空间站）的正常切水工作，常此以久将使得其轨道来自越来越低，最终将会坠落大气层。据俄罗斯飞行控制中360百科心2010年2月21日凌晨宣布，国际空间站运行轨道当天顺利提升了6.2公里，为俄异罗斯载人飞船及美国航天飞机与空间站对接创造了条件。

　　此次轨道提升从莫斯科时间21日零时15分(北京时间21唱蒸日5时15分)开始，对接在国际空间站“星辰”服务舱上的俄“进步 M－04M”货运飞船的8个发动机被启动，并工作了1557秒，从而使国际空间站运行轨道提升了6.2公里，最后到达距地球约349公里的太空轨余少简汉客夫免各道，整个过程是在自动状态下完成的。飞船的发动机向后喷气将会获得向前的加速度，至尼电些飞船的姿态将发生变化。那么从物理学角度如何来分析这个变轨过程？按照人造卫星运行的规律，其在轨的运行速度V大小由下列公式决定：

　　其中G为万有引力恒量，速矿情灯意议善土速静营M为地球的质量，r为人造卫星的轨道半径（地球半径R 说气影西着+ 人造卫星距地面高度h）。从以上公式可以看出措慢呀，在轨的人造卫星其速度完全由轨道半径大小决定：与其的平方根成反比——轨道半径木都顺济阻斤口越小的，其速度越大（贴地外急保球波见温答球表面飞行，其速度最大，即为第一宇宙速度7.9千米/秒）;轨道半径越大的，其速度结宜调酒视务啊越小。在变轨过程中，人造卫星由低轨道调整到高轨道，其轨道半径增加，那么运行速度将比原来的小。根据上面的公式，年我们可以计算出随着人造卫星轨道半径增加，其运行速度（变化）的数据： 从以上表格的数据可以看到，随着人造卫星扩数终茶决此情轨道半径的增加（距地面高度的增加），其运行速度越来越小。高度每增加50千米，速度约会减小28米/秒（不是线性减小）。这次国际空间站运行轨道提升了6.2织认情饭杂鱼须划化公里，其运行速度只减小了3米/秒。有人具行茶爱苦终图晚六至陈可能对此会提出疑问——明明是飞船发动机喷气加速，那么在变轨过程中，飞船的速度应该是逐渐增加的。

分析

从动力学角度分析

　　——当飞船发动机喷气加速，飞船的速度增加，作圆周运动所需的向心力增加，但是圆周运动所提供的向心力（即万有引力）不变，飞船将会作离心运动，其运行轨道将提升，速度将会减小。

从能量角度分析

　　——在这里我们来作以下的估算：设人造卫星的质量为2吨，原轨道半径为342.8公里，现变轨到349公里。该人造卫星的重力势能增加值为（假设该过程中重力加速度值无变化，且值为10米/秒2）在这个过程中该人造卫星的动能减少值为（万有引力恒量G = 6.67×10－11牛.米2/千克2，地球质量M = 5.98×1024千克）

　　由以上估算可以看出——该人造卫星在变轨（由低轨道升至高轨道）的过程中，引力势能增加值远远大于动能减少值。也就是说，在变轨过程中，发动机消耗的能量E主要是为了增加人造卫星的引力势能。据能量守恒关系，有 E + ΔEK = ΔEP，也就是说人造卫星调整到高轨道是以动能的损失和发动机消耗能量为代价来增加其引力势能。

　　变轨之后，飞船做匀速圆周运动的轨道半径增大！

变轨成本巨大

　　变轨消耗卫星燃料 直接缩短卫星寿命

　　一般来说，只要燃料充足，所有的卫星在技术上都能实现变轨。但变轨意味着直接减少卫星寿命。卫星携带一定燃料上天，但中途无法加注，燃料耗尽就意味着卫星寿命结束。改变卫星轨道是需要燃料的，调到特殊模式后再调回原模式，至少需要变轨两次。卫星轨道处于真空中，即使太阳能电池板冲满电，也不能依靠螺旋桨推动空气而动，一般要采用变轨发动机，通过喷嘴喷射内置燃料，利用反作用力来改变轨迹的。

　　卫星寿命减少可能导致卫星原本任务无法完成

　　卫星本身也承载着既定的任务，在常规运行过程中，由于受其他星体的引力影响，其轨道会逐渐变化，也需要燃料进行轨道调整，如果无法调整，卫星就会慢慢靠近地球，最终烧毁在大气中。有些卫星设计的寿命本身不长，比如这次参与搜寻的高分卫星，即高空间分辨率遥感资源一号星，2013年投入使用，预计寿命只有3-5年，如果在卫星既定的工作任务没有完成之前，因为无法调整轨道而寿终正寝，会带来很大损失，

　　卫星变轨还需要花费火箭发射的成本、地面配套支持成本等

　　就算这些卫星竭尽所能进行了轨道机动，且不说变轨量很小能否应急，单是轨道参数改变后需要重新设计对地成像的方案，代价也不小。除去卫星本身的成本外，还有火箭发射的成本、地面配套支持成本等。如果确定要变轨，需要多方同时配合。首先根据事发地经纬度计算变轨后轨道，然后根据现有轨道计算变轨的点火时间、点火长度、姿态调整时间、反推点火时间、点火长度等等，此外，变轨需要在中国能够遥测的地方进行，基本就是中国国土范围。有的时候计算出来的变轨窗口非常严格，实现起来难度不小。

变轨在技术上难度不小

　　卫星的有效载荷能力有限 即便耗尽燃料也仅能提供较小变轨能量

　　即便不考虑成本因素，变轨在技术上难度也不小。以此次投入搜救的高分一号卫星为例，高分一号卫星使用了中国空间技术研究院的CAST-2000小卫星平台。根据中国空间技术研究院网站提供的信息：CAST-2000小卫星平台，质量200到400千克，有效载荷能力300到600千克。通俗来说，就是包括卫星燃料质量在内的平台本身最多只有400千克，而包括相机在内的载荷质量，可达300千克以上。即使高分一号卫星为机动变轨携带了高达200千克的燃料（事实上这是不可能的），假设发动机比冲315秒，这些燃料全部耗尽也仅能提供不到1040米/秒的速度变量。这个机动能力看似乎不少，但要用于灵活机动变轨还远远不够。

　　较小的倾角改变高分一号卫星都很难承担

　　高分一号卫星运行在距离地面650千米高度的圆轨道上，轨道速度约为7535米/秒，如果轨道倾角改变30度的话，需要的速度变量约为3900米/秒，即使是倾角改变10度，都需要约1300米/秒的速度变量。

　　倾角不变旋转轨道平面需要的速度变量也不小

　　如果倾角不变，同时旋转轨道平面，虽然也可能更快地访问搜救区海域，但所需的速度变量同样很大。如卫星轨道倾角为90度，轨道平面旋转45度时需要的速度变量高达约5800米/秒。

　　改变卫星轨道高度成效不大且操作麻烦

　　改变卫星轨道高度所需的速度变量虽然小得多，但高度变化不大时，轨道周期变化也不大，对比卫星不变轨，所能缩短的首次访问时间并不长。而且一般来说，遥感卫星的轨道高度是与相机等载荷的参数相匹配的，升轨降轨会带来更多的麻烦。