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高中物理-衛星變軌

2020 年 1 月 23 日 小牛物理

衛星變軌爲什麽要繞來繞去,不會直接一次就發射到需要的軌道呢?

高中物理-衛星變軌

在太空動力學,霍曼轉移軌道(或譯爲郝曼轉移軌道,Hohmann transfer orbit)是一種變換太空船軌道的方法,途中只需兩次引擎推進,相對地節省燃料。此種軌道操縱名稱來自德國物理學家瓦爾特·霍曼,他于1925年出版了相關著作。

一、簡介

下圖爲將太空船從低軌道(1)送往較高軌道(3)的霍曼轉移軌道。太空船在原先軌道(1)上瞬間加速後,進入一個橢圓形的轉移軌道(2)。太空船由此橢圓軌道的近拱點開始,抵達遠拱點後再瞬間加速,進入另一個圓軌道(3),此即爲目標軌道。要注意的是,三個軌道的軌道半長軸是越來越大,因此兩次引擎推進皆是加速,總能量增加而進入較高(半長軸較大)的軌道。

高中物理-衛星變軌

反過來,霍曼轉移軌道亦可將太空船送往較低的軌道,不過是兩次減速而非加速。

霍曼轉移軌道的兩次加速假設是瞬間完成,但實際上加速要花時間,因此需要額外的燃料來補償。使用高推力引擎所需額外燃料較小,低推力引擎則還要以控制推進時間、逐漸提高軌道來逼近霍曼轉移軌道。因此實際上ΔV會比假設情況更大且花更多時間。二、計算

軌道上物體的總能等于動能與重力位能的和,而總能又等于重力位能(軌道半徑爲軌道半長軸a時的重力位能)的一半:

高中物理-衛星變軌

以速度爲未知解方程式,得到軌道能量守衡方程式:

高中物理-衛星變軌

其中,v爲物體的速度, μ=GM爲中央物體的標准重力參數,r爲物體至中央物體中心的距離,a爲物體軌道的半長軸。

因此霍曼轉移所需的兩次ΔV爲(假設速度改變是瞬間達成):

高中物理-衛星變軌

高中物理-衛星變軌

r₁,r ₂分別是原本圓軌道與目標圓軌道的半徑,其中大的(小的)對應到霍曼轉移軌道的遠拱點(近拱點)距離。

無論前往較高或較低軌道,根據開普勒第三定律,霍曼轉移所花的時間爲:

高中物理-衛星變軌

(即橢圓軌道周期的一半),其中 aH是霍曼轉移軌道的半長軸。

本文來自百度百科。

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