人造地球衛(wèi)星的軌道

尹懷勤

自從蘇聯(lián)于7957年10月4日成功發(fā)射世界上第一顆入造地球衛(wèi)星以來，航天技術(shù)發(fā)展迅猛，不僅成為入類認(rèn)識(shí)和改造自然進(jìn)程中極其活躍的科技領(lǐng)域之一，而且也成為入類文明高度發(fā)展的重要標(biāo)志。

為了進(jìn)行航天發(fā)射，世界上的航天大國(guó)如美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、日本和歐洲空間局聯(lián)合體等己研制成功多種運(yùn)載火箭并建設(shè)了多個(gè)航天器發(fā)射場(chǎng)。同時(shí)，這些國(guó)家和組織還建有相應(yīng)的航天色行控制中心、測(cè)控網(wǎng)或深空網(wǎng)，以保持地面與航天器的聯(lián)系，即用無線電信號(hào)對(duì)其發(fā)出遙控指令并接收其傳回的所需信息及探測(cè)數(shù)據(jù)資料。

世界上發(fā)射升空的航天器雖然名目繁多，但從技術(shù)專業(yè)角度來講，主要分為入造地球衛(wèi)星、空間探測(cè)器和載入航天器三大類型。入造地球衛(wèi)星乃是所有航天器中發(fā)射數(shù)量最多的一種。

人造地球衛(wèi)星的軌道

大家知道，月球由于擺脫不了地球的強(qiáng)大引力，只能在平均距離地球38.44萬千米的一條固定的近圓形軌道上進(jìn)行環(huán)繞運(yùn)行，因而成為地球唯一的天然衛(wèi)星。那么，用推力足夠大的運(yùn)載火箭發(fā)射一枚無人航天器到地球大氣層以外，使其在地球的引力作用下，沿著一條固定軌道環(huán)繞著地球運(yùn)行，這個(gè)無人航天器就被稱為人造地球衛(wèi)星。

人造地球衛(wèi)星軌道是衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行的路徑，它呈一條封閉的曲線形。這條封閉曲線形成的平面就叫人造地球衛(wèi)星的軌道平面，軌道平面總是通過地心的。不難想象，圍繞地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星，其軌道多種多樣。從衛(wèi)星距離地球運(yùn)行的高度來說，衛(wèi)星軌道可分為飛行高度小于1 000千米的低軌道亦稱近地軌道：飛行高度在1 000千米到20 000千米之間的中高軌道；飛行高度大于20 000千米的高軌道。上述每種軌道中又包含著多條高低不同的軌道。

從衛(wèi)星運(yùn)行的軌道形狀來說，可分為圓形和橢圓形兩種。圓形軌道有同地球表面保持等距離的優(yōu)點(diǎn)，所以常被用于有關(guān)通信廣播、觀察地球、導(dǎo)航定位、大地測(cè)量等功能的衛(wèi)星。衛(wèi)星在橢圓形軌道上運(yùn)行時(shí)，離地面有遠(yuǎn)近之分。軌道上離地面最遠(yuǎn)的點(diǎn)被定義為遠(yuǎn)地點(diǎn)，離地面最近的點(diǎn)被定義為近地點(diǎn)。

除了將衛(wèi)星軌道分為圓形和橢圓形兩種形狀外，人們通常還會(huì)依照衛(wèi)星軌道平面和地球赤道平面之間的夾角即軌道平面傾角的大小來區(qū)分人造地球衛(wèi)星的軌道。由此，衛(wèi)星軌道可分為順行軌道、極地軌道、逆行軌道和赤道軌道。為了衛(wèi)星能在軌道上正常運(yùn)行和開展預(yù)定的任務(wù)，它們都要受到地面飛行控制中心、測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

1.順行軌道

順行軌道的特點(diǎn)是軌道傾角小于90度。在這種軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星，絕大多數(shù)離地面較近，高度僅為數(shù)百千米，屬于近地軌道的范疇。我國(guó)地處北半球，要把衛(wèi)星送入這種軌道，運(yùn)載火箭要朝東南方向發(fā)射，這樣能夠利用地球自西向東自轉(zhuǎn)的部分速度，從而節(jié)約火箭的能量。能利用的地球自轉(zhuǎn)速度可以通過赤道自轉(zhuǎn)速度、發(fā)射方位角和發(fā)射點(diǎn)地理緯度計(jì)算出來。不難想象，在赤道上朝著正東方向發(fā)射衛(wèi)星，可利用的速度最大，緯度越高即離赤道越遠(yuǎn)能夠利用的速度越小。順行軌道是人造地球衛(wèi)星中最常用的運(yùn)行軌道。當(dāng)然，火箭向東北方向發(fā)射衛(wèi)星亦可進(jìn)入另外一種軌道平面傾角小于90度的順行軌道，但應(yīng)用較少。因此，人們?cè)诘孛嫔峡吹降脑谔炜罩幸苿?dòng)的衛(wèi)星，大多數(shù)是沿著從西北到東南或從西南到東北的兩條順行軌道運(yùn)行的。

2.極地軌道和逆行軌道

極地軌道通常簡(jiǎn)稱為極軌道，是指衛(wèi)星軌道平面傾角等于90度的軌道，即衛(wèi)星向北極或南極方向發(fā)射和環(huán)繞地球兩極飛行。這種軌道的優(yōu)點(diǎn)是：在其上運(yùn)行的衛(wèi)星可以飛經(jīng)地球上任何地區(qū)的上空。

逆行軌道是指衛(wèi)星軌道平面傾角大于90度的軌道，即衛(wèi)星向西南方向發(fā)射和環(huán)繞地球飛行。在逆行軌道中主要使用的是太陽同步軌道。所謂太陽同步軌道指的就是衛(wèi)星的軌道平面和太陽始終保持相對(duì)固定的取向，軌道傾角稍大于90度，衛(wèi)星要在地球南極西部和北極東部附近上空通過，因此又被稱為近極地太陽同步衛(wèi)星軌道。為使衛(wèi)星軌道平面始終與太陽保持固定的取向，因此軌道平面每天平均沿地球公轉(zhuǎn)方向（自西向東）轉(zhuǎn)動(dòng)0.985 6度，這個(gè)角度正好是地球繞太陽公轉(zhuǎn)每天東移的角度，也就是說，衛(wèi)星軌道平面一年要轉(zhuǎn)動(dòng)360度。簡(jiǎn)單地說就是衛(wèi)星、太陽、地球始終保持三點(diǎn)一線，衛(wèi)星一直處于中間位置。這樣做的優(yōu)越性是，當(dāng)衛(wèi)星每次飛越某地上空時(shí)，太陽都是從同一角度照射該地，亦即衛(wèi)星每次都在同一當(dāng)?shù)貢r(shí)間經(jīng)過該地，這對(duì)照相偵察衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星都很有利。

3.赤道軌道和地球靜止軌道

赤道軌道是指衛(wèi)星軌道平面傾角等于0度的軌道，衛(wèi)星軌道平面與地球赤道平面重合，衛(wèi)星始終在赤道上空飛行。衛(wèi)星向東南方向發(fā)射后經(jīng)過變軌和調(diào)整使其在地球赤道上空向東飛行即可進(jìn)入這種軌道。至于衛(wèi)星運(yùn)行高度和軌道形狀可在很大范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。不過在這種類型的軌道中，除了地球靜止軌道外，比其低的軌道很少被采用。

地球靜止軌道是赤道中的一個(gè)特例。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入距離地面高度約為36000千米的正圓形赤道軌道上環(huán)繞地球向東運(yùn)行時(shí)，軌道離心率和軌道傾角均為零，運(yùn)動(dòng)周期為23小時(shí)56分04秒，與地球自轉(zhuǎn)周期相吻合，角速度和地球自轉(zhuǎn)的角速度相同，故而從地面上望去，猶如衛(wèi)星停留在空中一動(dòng)不動(dòng)一樣，始終位于地表面的同一位置上空，因此這條軌道通常被稱為地球靜止軌道。在地球靜止軌道上的1顆衛(wèi)星覆蓋約40%的地球面積。在靜止軌道上均勻布設(shè)3顆通信衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)除南北極地區(qū)以外的全球通信。氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星和廣播衛(wèi)星常采用這種軌道。

人造地球衛(wèi)星變軌

發(fā)射衛(wèi)星入軌后以保障衛(wèi)星在軌道上飛行，需要時(shí)又能改變衛(wèi)星軌道形狀和位置的特殊能力，叫作變軌。要進(jìn)行變軌，必須依靠衛(wèi)星上攜帶的動(dòng)力裝置，即小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)射衛(wèi)星的運(yùn)載火箭，當(dāng)其脫離衛(wèi)星并將其送入預(yù)定軌道的時(shí)候，入軌點(diǎn)的速度和大小會(huì)有少許偏差，衛(wèi)星不一定能完全準(zhǔn)確地進(jìn)入預(yù)定軌道。入軌點(diǎn)在250千米高空的衛(wèi)星，速度大小有千分之一的誤差，或方向角有半度的誤差，都會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星軌道高度偏離50千米。鑒于對(duì)運(yùn)載火箭入軌點(diǎn)的控制不可能達(dá)到絕對(duì)精確，因而只有在衛(wèi)星入軌后，再對(duì)軌道進(jìn)行修正，才能使其進(jìn)入預(yù)定軌道。要實(shí)現(xiàn)兩顆在不同軌道上飛行的衛(wèi)星在空間會(huì)合，也要改變其中一顆衛(wèi)星的飛行方向和運(yùn)行軌道，去向另一顆衛(wèi)星靠攏。

最明顯的例證是，要從不在地球赤道上的航天場(chǎng)發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星最初進(jìn)入的軌道平面，必然通過發(fā)射點(diǎn)和地心，這樣就使軌道平面和地球赤道之間形成一個(gè)夾角。要使軌道面和地球赤道面重合，就必須改變衛(wèi)星軌道平面的傾角。

人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，不僅是航天技術(shù)的基本知識(shí)，而且是一種重要的太空資源。要利用好這種太空資源，就必須及時(shí)做好衛(wèi)星的變軌工作。我們今天的很多科技產(chǎn)品都要依賴衛(wèi)星來提供信息，而衛(wèi)星在哪個(gè)軌道上運(yùn)行直接影響著它們的工作效果。所以，為了使一顆衛(wèi)星的工作效果最大化，在它們發(fā)射前，科學(xué)家一定會(huì)根據(jù)各種因素為其選擇一個(gè)最佳的落腳點(diǎn)！