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为什么人造卫星的轨道有各种形状?

要回答人造卫星轨道的形状问题,应先了解三个宇宙速度才行。众所周知,航天器(包括人造卫星、载人航天器和空间探测器)要离开地面进入太空需达到一定速度,才能克服地球的引力。理论和实践都已证明,在航天器的飞行速度达到7.9千米/秒时,它可以环绕地球运转。7.9千米/秒被称为第一宇宙速度,是零高度上的环绕速度。当航天器的飞行速度达11.2千米/秒时,它就可以脱离地球,成为围绕太阳运行的人造行星。11.2千米/秒被称为第二宇宙速度,是零高度上的逃逸速度。如果航天器的飞行速度达16.6千米/秒,它就可以脱离太阳系,到其他恒星世界去。16.6千米/秒就是第三宇宙速度。

卫星与发射它的运载火箭分离时所在的位置称为入轨点,其在入轨点时的速度称为入轨速度。入轨位置、入轨速度的大小和方向就决定了人造卫星的轨道形状。不同高度上的环绕速度和逃逸速度是不同的。如果卫星入轨速度在当地环绕速度和逃逸速度之间时,轨道为椭圆形;当入轨速度等于当地环绕速度而且是水平方向时,轨道为圆形;当入轨速度等于当地逃逸速度时,轨道为抛物线形;当入轨速度大于当地逃逸速度时,轨道为双曲线形。另外,入轨速度大小相同而方向不同时,卫星的轨道形状也会有很大差异。

人造卫星的轨道还有高低之分:以圆形轨道来说,距地面200~2000千米称为低轨道;距地面2000~20000千米称为中轨道;距地面20000千米以上称为高轨道。根据不同的任务要求,卫星轨道采用不同的形状和高度。

若采用圆形轨道,卫星能同地球表面保持等距离,用于观察地球、通信广播、导航定位和大地测量的卫星常采用这种轨道。也有一些通信卫星采用椭圆形轨道。例如,俄罗斯的“闪电”通信卫星就运行在大椭圆形轨道上,因为俄罗斯国土纬度较高,如果使用地球静止轨道卫星不能覆盖高纬度地区。“闪电”通信卫星轨道的远地点高度为4万千米,近地点在470千米,倾角63°。它的远地点在北半球上空,卫星在远地点附近的轨道上速度变小。这样,卫星可缓慢经过俄罗斯境内高纬度地区,延长与地面控制站的联系时间。不过,为了保证提供俄罗斯境内不间断通信,需要多颗“闪电”卫星协作。如果是为了科学研究(研究地球不同高度上磁场的强度、大气压力、温度、密度,以及外层空间辐射的强度分布等),使探测范围更大些,科学卫星也常运行在椭圆形轨道上。例如,中国1971年3月3日发射的“实践一号”科学卫星,其轨道的近地点是266千米,远地点是l826千米。