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发射不同轨道的航天器时如何选择发射场?发射地球同步轨道卫星时发射场的位置为什么越靠近地球赤道越好?大多数运载火箭为什么总是向东发射?
[ 发布时间:2013-09-27 ]   [ 字号: ]

       卫星飞行时,在地球表面投影点的连线称为星下点轨迹。人们用星下点轨迹来表示卫星在地球上空的飞行路线。

  轨道倾角为0°时,卫星轨道平面和赤道平面重合,此时卫星就在赤道上空飞行,其星下点轨迹为沿赤道运动的直线。当卫星运行在地球静止轨道时,星下点轨迹缩为赤道上的一个点。

  轨道倾角为90°时,卫星轨道平面通过南北极,卫星在绕地心运转时,地球也绕其自转轴旋转,两种运动合成使卫星的星下点轨迹经过整个地球表面。

  轨道倾角越大,星下点轨迹的范围越大,卫星所覆盖的南北范围也越大,星下点所达到的最大纬度等于轨道倾角。所以对地观测卫星,如军用侦察卫星、资源卫星等都采用比较大的轨道倾角。

  由于运载火箭发射时大致在一个包括发射点在内的发射平面里运动,所以卫星轨道平面和发射平面相差不大。在任何发射位置向正南或正北发射,都可以发射大轨道倾角的卫星。但如果要发射小轨道倾角的卫星,就受到发射点纬度的限制。如果不考虑相当费能量的横向机动,发射点纬度值就是从该发射场可能发射的最小轨道倾角值。这就是说,发射点纬度限制了该发射场所能发射的最小轨道倾角,即发射的卫星最小轨道倾角就是该发射点的地理纬度。如果要发射更小轨道倾角的卫星就比较困难,需要采取横向机动,这要消耗较多能量。

  所以,在选择发射场时,应当尽量在低纬度地区选择,最好选择在赤道附近,这样才不会限制小轨道倾角卫星的发射。此外,低纬度发射场还可以使火箭得到更大的地球自转赋予的向东的初速度,提高运载能力。

  卫星所需要的速度很大。民航飞机的速度一般约300米/秒,战斗机的速度可达700米/秒,而卫星的速度要达到7500米/秒以上,所以发射卫星很费劲。火箭发射时有效载荷质量只有起飞质量的1%~2%,其他绝大部分是燃料质量,少部分是结构质量,因此提高运载能力显得非常重要。在向东发射时,地球自转赋予的初速度减少了火箭所应提供的速度增加量。当发射点在赤道时初速度最大,达到465米/秒,随着发射点纬度增加初速度逐步减小。粗看起来这初速度比第一宇宙速度小很多,但是对运载能力的影响却很大。在向南(或向北)发射极轨卫星时,向东的初速度没有用处,其运载能力就比向东要小,对一些动载火箭向东发射要比向南(或向北)发射极轨卫星运载能力大一倍,所以大多数卫星部是向东发射的。

  发射场选择低纬度地区对发射地球静止轨道卫星还有一个好处,就是卫星需要消除的轨道倾角小,它节省了卫星变轨能量。这是因为火箭将卫星送入的轨道是地球同步转移轨道,卫星工作的轨道是地球静止轨道,由地球同步转移轨道到地球静止轨道的变轨任务一般是由卫星承担,卫星在远地点附近变轨时除了需要增加速度外,还需要改变速度方向,以消除轨道倾角。如果转移轨道的轨道倾角小,卫星改变轨道倾角的任务就轻,卫星的能量消耗就小,卫星运行寿命就长。这就是为什么总是尽量将航天发射场选择在低纬度地区的道理。目前,国际上公认理想的发射场是设在南美洲圭亚那库鲁的发射场 。其纬度为南纬5°,由欧洲有关空间机构管理,“阿里安”火箭就是在这里发射的,这也是“阿里安”火箭一个重要的竞争优势。

  俄罗斯地理纬度较高,发射小倾角轨道卫星很困难,为此他们采取了一系列技术措施,在苏联时代,考虑到发射地球静止轨道卫星的困难,也考虑到苏联广大地区纬度偏北,地球上静止卫星不能覆盖高纬度地区,于是干脆发展采用63°左右倾角的大偏心率轨道的通信卫星,以回避发射小倾角轨道卫星的问题。

  有时卫星需要900轨道倾角的极轨道或大于900轨道倾角的太阳同步轨道,这时火箭就需要根据卫星的需要向南(或向北)偏西方向发射。所以,也不是所有火箭都是向东发射。

  也许有朝一日,人们发现更大轨道倾角的卫星有特殊的用途,那时则会考虑向更西方向发射卫星。

转    自:《叩开太空之门—航天科技知识问答》

本文编辑:闫秋

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