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转移轨道 发布于:

转移轨道又称过渡轨道,是航天器从初始轨道或停泊轨道过渡到工作轨道的中间轨道。从转移速度和能源效率方面可分为霍曼转移轨道(Hohmann transfer orbit)、双椭圆转移轨道(Bi-elliptic transfer orbit)和地球同步转移轨道(Geostationary transfer orbit,GTO)。

转移轨道又称过渡轨道,是指航天器从初始轨道或停泊轨道过渡到工作轨道的中间轨道。航天器在火箭发动机的推力作用下实现轨道变换,简称变轨。从地球发射航天器,当运载火箭无法直接将航天器送入预定轨道时,这就需要借助于转移轨道,将航天器送入预定轨道。行星探测器、月球探测器、离地球较远的人造地球卫星,都要经过转移轨道才能到达预定目标轨道。

轨道之间的转移有多种形式,按变轨次数分为一次、两次、多次和连续小推力变轨。在初始轨道和目标轨道相交时,才能用一次变轨完成转移。转移轨道按形状分为椭圆形、抛物线形和双曲线形的过渡轨道;按初始轨道和目标轨道形状分为圆轨道之间、椭圆轨道之间、圆轨道与椭圆轨道相互间的过渡;按初始轨道和目标轨道相对位置分为共平面和不共平面;椭圆轨道间的转移有共轴和不共轴转移。按能源效率和转移速度可分为霍曼转移轨道、双椭圆转移轨道和地球同步转移轨道。在两个圆轨道之间,与两个圆轨道都相切的椭圆过渡轨道就是著名的霍曼转移轨道。

为了节省运行时间,过渡轨道可选用双曲线或抛物线轨道,消耗能量并不太多。从一条轨道变换到另一条轨道可以有多条过渡轨道,寻求能量最省的过渡轨道是一个理论问题。

最著名的转移轨道是霍曼转移轨道,它是两条同心共面圆轨道之间的一条椭圆轨道,既与内圆外切又与外圆内切。为了使航天器在这两条轨道之间进行转移,只需在这条椭圆轨道与两条圆轨道的两个切点上施加两个切向速度脉冲增量(同为加速或同为减速)便可实现。在限定只用二次脉冲推力的情况下,这是能量最省的转移轨道,但飞行时间和飞行路线较长。

右图为将太空船从低轨道①送往较高轨道③的霍曼转移轨道。太空船在原先轨道①上某点瞬间加速ΔV后,进入一个椭圆形的转移轨道②。太空船由此椭圆轨道的近拱点开始,抵达远拱点后再瞬间加速ΔV',进入另一个圆轨道③,此即为目标轨道。要注意的是,三个轨道的轨道半长轴是越来越大,因此两次引擎推进皆是加速,总能量增加而进入较高(半长轴较大)的轨道。

反过来,霍曼转移轨道亦可将太空船送往较低的轨道,不过是两次减速而非加速。加速和减速都在霍曼轨道与两个圆轨道的切点进行,加速(或减速)方向均在轨道切向,两次加速(或减速)相隔的时间等于霍曼轨道周期的一半。

霍曼转移轨道的两次加速假设是瞬间完成,但实际上加速要花时间,因此需要额外的燃料来补偿。使用高推力引擎所需额外燃料较小,低推力引擎则还要以控制推进时间、逐渐提高轨道来逼近霍曼转移轨道。因此实际上ΔV会比假设情况更大且花更多时间。

双椭圆转移轨道最初由Ary Abramovich Sternfelde于1934年发表提出。

双椭圆转移轨道包括两个半椭圆转移轨道,如右图所示,将太空船从低轨道①送往较高轨道③。太空船首先在初始轨道①某点(第一转移轨道的近拱点)瞬间加速ΔV1进入第一个半椭圆转移轨道,到达该椭圆轨道的远拱点②,然后在该点再次加速ΔV2,进入第二个半椭圆转移轨道,到达与轨道③相切的近拱点时,太空船减速ΔV3,由椭圆轨道变轨成圆轨道,即目标轨道③。

和霍曼转移轨道二次变轨相比,双椭圆转移轨道比之多一次发动机燃烧过程,需三次变轨,因而需要更长的轨道转移时间;但当两个圆轨道半径之比大于11.938765时,用三冲量的双椭圆转移轨道代替霍曼轨道更能节省能量。

地球同步转移轨道(geostationary transfer orbit,GTO)是霍曼转移轨道的运用之一,为椭圆形轨道,经加速后可达地球静止轨道(GEO),是指近地点在1000公里以下、远地点为地球同步轨道高度(约36000公里)的椭圆轨道。一般而言,地球同步转移轨道的近地点并无特别限制,但通常距地球表面数百公里,以降低转移速度ΔV(方向及速度改变量)的需求。

同步卫星的运作轨道为地球静止轨道,由地球同步转移轨道至地球静止轨道转换工作多由卫星自身动力进行,卫星在地球同步转移轨道的远地点附近变轨时,需要增加速度及改变速度的方向。在火箭性能方面,常以地球同步转移轨道酬载能力作为指标,该酬载能力较直接运送至地球静止轨道的数值为大。以德尔塔IV型重型火箭为例,其GTO运载能力为12,757公斤,而GEO运载能力仅为6,276公斤。

在两条不同轨道之间的过渡轨道并不是唯一的,过渡轨道最佳化理论就是要寻找在某种条件下消耗能量最省的过渡轨道。在航天工程中,过渡轨道的选择要综合考虑能量消耗、飞行时间、制导精度、测量和控制条件等因素。


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