卫星变轨问题:按理说轨道半径越小速度越大,为什么卫星加速反而轨道上升???

还是先加速,到达预定轨道后速度又减慢?... 还是先加速,到达预定轨道后速度又减慢? 展开
jiaoyi327
2012-08-05 · TA获得超过4344个赞
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你想的是对的。


所谓“按理说轨道半径越小,速度越大”,是第一宇宙速度的计算公式得出的结论,也就是“向心力=万有引力”:

变形得出:r·v^2=GM。可以看出,GM是个常数,半径r和速度v的平方成反比。所以半径越大(离地面越高),需要维持圆周运动的速度越小。比如因为空气阻力的原因,卫星至少要发射到离地150km的高度上,那个高度的圆周运动线速度只有7815 m/s,低于第一宇宙速度7,91 km/s。

当我们计算第二宇宙速度(逃逸速度)时,就不能用这个公式,而要考虑能量。卫星逃逸时的动能,要至少等于地球质量场的势能,即:

这个式子里的R如果是地球半径,那么v2就是第二宇宙速度:“从地球表面发射卫星,使之最终脱离地球轨道”的最小速度。而上述的第一宇宙速度,则是“从地球表面发射卫星,使之能绕地球旋转而不掉落的最低速度”。假如地球表面没有空气,且是光滑的球体,那么只要用第一宇宙速度,把卫星水平射出,就可以贴地飞行了。


变轨过程一定要从能量角度考虑。在轨卫星要想升轨,必须脱离原来的引力等于向心力的平衡状态,克服地球引力做功。所以升高轨道是必须要加速的。而到达一定高度之后,则要减速,因为根据第一条公式得出的结论,半径越大,“必需的”维持圆周运动的速度越小,为了重新达到力的平衡,则需要减速。最终在高轨道的平衡状态的线速度,比低轨道时的速度要小。


无论是引力向心力平衡公式,还是动能势能平衡公式,都是平衡态、静态时的关系式。变轨的过程是动态的。变轨的过程,其实是在短时间内轨道高度r变化不大的时候,首先打破能量和力的平衡,也就是提高或降低飞行器的速度v。提高速度v,“向心力(离心力)”和“动能”就增大,在轨道高度r尚未发生大变化的情况下,力和能量的平衡被打破,飞行器向更高的轨道飞行。反之,降低速度v,其“向心力(离心力)”和“动能”减小,飞行器就会向低轨道转移。公式里也可以看出,并不是v和r成比例,而是v的平方和r成比例。和r比起来,v的变化对向心力mv^2/r以及动能mv^2/2的影响要快。


这也是为什么要发展空间站和月球基地的原因。月球引力小,且没有空气阻力,发射火箭需要的初速度和能量都小得多。而从空间站上发射卫星和飞船,因为轨道高(R大),需要克服的势能GMm/R就要比地面小,而且没有大气影响,自然更节省燃料。

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很抱歉,没看到你的答案,先把最佳答案给别人了……还是非常感谢!
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没关系,祝你学习进步!
希卓
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海角天涯1994
推荐于2017-10-11 · TA获得超过640个赞
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半径越小速度越大是指稳定后圆周轨道的半径,加速之后卫星由圆形轨道进入椭圆轨道,之后再由椭圆轨道进入圆形轨道,这时候的半径变大速度变小,
因此并不矛盾,轨道半径越小速度越大是指,一个稳定的状态
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2012-08-05 · TA获得超过1.7万个赞
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卫星在轨道上运行时,引力提供向心力,GMm/r^2=mv^2/r,速度v增大时,GMm/r^2<mv^2/r,引力不足以提供向心力,卫星做离心运动,轨道半径r增大,在离心过程中,卫星要克服引力做功,其动能(速率)会逐渐减小。
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Kevinhyw
2012-08-05
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你说的轨道半径小速度大是指的在地球引力的情况下,物体做匀速圆周运动的速度。现在卫星明显是有喷气加速度的,是外力作用的。
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