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飞船变轨问题剖析

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飞船变轨问题剖析_第1页
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止谏5撮叫治州匕飞船变轨问题剖析姿态动力学的提出人造地球卫星动力学包含两个方面:轨道力学:研究卫星质心绕地球的运动姿态动力学:研究卫星绕其质心的转动运动及卫星各部的相对运动请考虑一下,为什么卫星还要相对其质心转动呢?(1)卫星功能的需要卫星上安装的专门仪器或天线需要对地定向,因而在沿轨道 运行时卫星必须缓慢转动,卫星上的太阳帆板需要对日定向,因而帆 板相对星体也要转动定向问题属于姿态稳定问题,它是姿态动力 学的基本问题2)卫星变轨的需要当地球同步卫星由转移轨道变到 同步轨道时,当返回式卫星由运行轨道变到 返回轨道时,卫星都要绕质心转动到预定姿 态,然后开动尾部的变轨发动机实现变轨 这属于姿态控制问题用万有引力处理天体问题的基本方法是:把天体的运动看成圆周运动,其做圆周运动的 向心力有万有引力提供Mm由G——r 22兀 -=mr®2 = m(T~)2 r = m(2兀 f )2 r = ma 得v「翘T = 2氏工®=应\ r , \GM , 1 r 3当飞船等天体做变轨运动时,轨道半径发生变化,从而引起v、T及®的变化例1.某人造卫星运动的轨道可近似看作是以地心为中心的圆.由于阻力作用,人造卫星到地心的距离从七慢慢变到r2,用Eki. Ek2分别表示卫星在这两个轨道上的动能,则(A)r r,E E (D)r >r,E >E 12 K1 K2 12 K1 K2 12 K1 K2 12 K1 K2误区警示本题中由于阻力作用会误因为V2 < V1,错选D。

深刻理解速度是由高度决定的,加深“越高越慢”的印象,才能走出误区Gmu = ■ 解析由于阻力使卫星高度降低,故ri>r2,由 * r知变轨后卫星速度变大,动 能变大eki

答案BC(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答案A例3.发射地球同步卫星时,先将卫星发射到近地圆轨道1, 《然后点火,使其沿椭圆轨道2运行,最后再次点火,将卫星送人 /同步圆轨道3轨道1、2相切于Q点,轨道2、3相切于P点,如 q (-1) F 图所示,,则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,下列说法 ,中正确的是 '、 2 /A. 卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率 —B. 卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度C. 卫星在轨道1上经过Q点时的加速度大于它在轨道2上经过Q点时的加速度D. 卫星在轨道2上经过P点时的加速度等于它在轨道3上经过P点时的加速度GMm s =m ——=mr® 2 = ma解析:对卫星来说,万有引力提供向心力,r2 r ,得_ Gm _ GM _ gm丁,「节,a = K,而 r3 > ri,即七〈七,% <%,A 不对 B 对。

1 轨道的Q点与2轨道的Q点为同一位置,加速度a相同同理2轨道的P点与3轨道的P 点a也相同,C不对D对答案BD例4.如下图所示,飞船沿半径为R的圆周围绕着地球运动,其运行周期为T.如果飞船 沿椭圆轨道运行,直至要下落返回地面,可在轨道的某一点A处将速率降低到适当数值,从 而使飞船沿着以地心O为焦点的椭圆轨道运动,轨道与地球表面相切于B点求飞船由A 点到B点的时间图中R0是地球半径)解析设飞船的椭圆轨道的半长轴为a,由图可知a= 2 .设飞船沿椭圆轨道运行的R3 a 3 T'周期为T',由开普勒第三定律得:T2=T'3 .飞船从A到B的时间t= 2 .由以上三式求解T(R + R)3 _ T(R + R)3 '—2\ 8R3 4 V 2R3例5.我国的国土范围在东西方向上大致分布在东经700到东经1350,所以我国发射的 通信卫星一般定点在赤道上空3.6万公里,东经1000附近,假设某颗通信卫星计划定点在 赤道上空东经1040的位置,经测量刚进入轨道时位于赤道上空3.6万公里,东经103 0处, 为了把它调整到1040处,可以短时间启动卫昨上的小型喷气发动机调整卫星的高度,改变 其周期,使其“漂移”到预定经度后,再短时间启动发动机调整卫星的高度,实现定点,两 次调整高度的方向依次是A、向下、向上 B、向上、向下 C、向上、向上 D、向下、向下解析 题目是要求发射同步卫星,向东调整一些,但最后高度和速度均不变,故先向下 调低轨道,卫星角速度变大,相对地球向东运动,再向上调高轨道,角速度减小,可与地球 相对静止。

答案A例6.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解析本题实质考查对卫星等天体变轨运动的动态分析能力整体上看,卫星的轨道高度和运行速度发生连续的变化,但微观上,在任一瞬间,卫星还是可以近似看作在圆形轨道上厂 八Mm 4兀2 1 Mm v 2F = G = mr E =— mv 2 G = m —运动,由 r2 T2知r减小时T亦减小;由k 2 ,及 r2 r知卫星在轨运行的动能/ GMm,有 ER>,.但在降低轨道高度时,重力做正功,阻力做负功,故总机械能应是不断减少的空间站由远地轨道向近地轨道移动时,受地球引力变大,故加速度增大;由GM GM R 3v = , ° = , T = 2兀 —知v变大,T变小而°变大。

答案CR \ R 3 \GM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Gm GM RTv =半径的变化,然后根据公式1 , ° = , T = 2兀 R * R3 'gm判断线速度、角速度和周期的变化。

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