為什么人造地球衛(wèi)星的軌道有各種形狀？

人造地球衛(wèi)星的軌道似乎有各種形狀，但你仔細觀察以后，會發(fā)現(xiàn)它們主要呈現(xiàn)圓形和橢圓形兩種，其中圓軌道是橢圓軌道的特殊情況。衛(wèi)星的軌道形狀與人造地球衛(wèi)星入軌時的速度和方向有關，究竟采用哪種形狀的軌道，則是由人造地球衛(wèi)星的功能和用途決定的。

1 運行軌道形狀與航天器速度有關

人造地球衛(wèi)星軌道是人造地球衛(wèi)星繞地球運行的軌道。它呈一條封閉的曲線。這條封閉曲線形成的平面叫人造地球衛(wèi)星的軌道平面，軌道平面總是通過地心的。

衛(wèi)星與火箭分離示意圖

要回答人造地球衛(wèi)星的軌道形狀問題，首先應該了解三個宇宙速度的基本概念。眾所周知，航天器（包括人造地球衛(wèi)星、載人航天器、空間探測器）要離開地面進入太空需達到一定速度，才能克服地球的引力而不落到地面。理論和實踐都已證明，在航天器的飛行速度達到7.9km/s時，它可以環(huán)繞地球運轉。一般把航天器在地球圓軌道飛行的速度叫環(huán)繞速度，7.9km/s也叫第一宇宙速度。當航天器的飛行速度達到11.2km/s時，它就可以脫離地球軌道，成為圍繞太陽運行的人造行星，或者飛向太陽系的其他星球上去。一般脫離地球軌道的速度叫逃逸速度,11.2km/s也叫第二宇宙速度。如果航天器的飛行速度達16.6km/s, 它就可以脫離太陽系，到其他恒星世界去，16.6km/s也叫第三宇宙速度。所以，人造地球衛(wèi)星的速度至少要達到7.9km/s，才能繞地球運轉。

航天器與發(fā)射它的運載火箭分離后入軌點的軌道速度叫入軌速度。入軌點的位置確定后，入軌速度的大小和方向就決定了人造地球衛(wèi)星的軌道形狀。如果航天器入軌速度在環(huán)繞速度和逃逸速度之間時，軌道為橢圓；當航天器入軌速度等于環(huán)繞速度而且是水平方向時，軌道為圓形；當入軌速度等于逃逸速度時，軌道為拋物線形；當入軌速度大于逃逸速度時，軌道為雙曲線形。另外，入軌速度大小相同而方向不同時，航天器的軌道形狀也會有很大差異。

2 人造地球衛(wèi)星軌道的高低與用途

人造地球衛(wèi)星有的運行在圓軌道,有的運行在橢圓軌道：它們還有高低之分：距地面200～2000km的軌道叫低軌道，距地面2000～20000km的軌道叫中軌道，距地面20000km以上的軌道叫高軌道，為了完成預定任務，不同的衛(wèi)星在軌道形狀、高低等方面有明顯差異。

運行在大橢圓軌道的我國實踐－1衛(wèi)星示意圖

由探測－1、2組成的中國地球空間雙星探測星座示意圖。為了科研需求，探測－1運行在大橢圓形赤道軌道，探測－2運行在橢圓形極軌道

例如，采用圓形軌道有同地球表面保持等距離的優(yōu)點，所以用于觀察地球、通信廣播、導航定位和大地測量的衛(wèi)星常采用這種軌道；但也有一些衛(wèi)星采用橢圓軌道，例如，俄羅斯的“閃電”通信衛(wèi)星運行在大橢圓軌道，這是因為俄羅斯國土緯度較高，如果使用地球靜止軌道衛(wèi)星不能覆蓋高緯度地區(qū)，而“閃電”通信衛(wèi)星軌道的遠地點高度為40000km，近地點在470km，傾角63°，即遠地點在北半球上空。這樣衛(wèi)星可緩慢經過俄羅斯境內，與地面控制站失去聯(lián)系的時間很短。不過，為了保證提供俄羅斯境內不間斷通信，需要多顆“閃電”衛(wèi)星協(xié)作。另外，如果是為了科學研究(研究地球不同高度上磁場的強度，大氣壓力、溫度、密度，宇宙空間輻射的強度分布……)，使探測范圍更大些，可以選擇扁的軌道。我國1971年3月3日發(fā)射的實踐－1科學衛(wèi)星，其軌道的近地點是266km，遠地點是l826km。

3 幾種常用的人造地球衛(wèi)星軌道

按飛行方向分，人造地球衛(wèi)星軌道可分為順行軌道（與地球自轉方向相同）、逆行軌道（與地球自轉方向相反）、赤道軌道（在赤道上空繞地球飛行）和極軌道（經過地球南北極上空）等。人造地球衛(wèi)星還有以下幾種特殊軌道。

人造地球衛(wèi)星在順行軌道上繞地球運行時，其運行周期（繞地球一圈的時間）與地球的自轉周期相同的軌道叫地球同步軌道。

如果運行在地球同步軌道的衛(wèi)星正好在地球赤道上空離地面35786km的軌道上繞地球運行，由于它繞地球運行的角速度與地球自轉的角速度相同，所以從地面上看去它好像是靜止的，這種衛(wèi)星軌道叫地球靜止衛(wèi)星軌道。地球靜止衛(wèi)星軌道是地球同步軌道的特例，它只有一條。大多數(shù)通信衛(wèi)星都采用這種軌道，以便地面與衛(wèi)星能連續(xù)通信。

還有一種特殊軌道叫太陽同步軌道。由于地球扁率（地球不是圓球形，而是在赤道部分隆起），衛(wèi)星軌道平面繞地球自轉軸旋轉。如果衛(wèi)星軌道平面繞地球自轉軸的旋轉方向和角速度與地球繞太陽公轉的方向和平均角速度相同，則這種衛(wèi)星軌道叫太陽同步軌道。氣象衛(wèi)星、資源衛(wèi)星等對地觀測衛(wèi)星都采用這種軌道，其優(yōu)點是不僅可以使衛(wèi)星能俯瞰包括地球兩極地區(qū)在內的整個地球表面，而且在衛(wèi)星每次經過特定地區(qū)時，其光照條件基本不變，從而有利于獲取高質量地面目標的圖像。

我國“北斗”導航衛(wèi)星星座由地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星組成

鏈接：

2010年8月14日，美國首顆“先進極高頻”軍用通信衛(wèi)星升空。但由于該衛(wèi)星上天后遠地點發(fā)動機出現(xiàn)異常，結果不得不使用星上氙離子流體霍爾推進器執(zhí)行了500多次點火來變軌，直到2011年10月24日，這顆衛(wèi)星才在耗時14個月后進入了預定的地球靜止軌道。

4 衛(wèi)星升空后多久才算進入最終軌道？

因為不同種類的人造地球衛(wèi)星運行在不同的軌道上，所以它們在升空后進入最終的工作軌道所花的時間有很大差異，有的能馬上進入最終的工作軌道，有的則需要幾十天甚至幾個月。這是為什么呢？

由于種種原因，用運載火箭發(fā)射人造地球衛(wèi)星時，其入軌點的速度和方向會與預定的軌道稍有偏差，因而常常不能一下把衛(wèi)星送入預定的軌道。例如，運行在距地面250km高的衛(wèi)星，如果速度大小有千分之一的誤差，或方向角有半度誤差，都會使衛(wèi)星的軌道高度偏離50km。因此，衛(wèi)星上天后需要變軌，對軌道進行修正，才能進入預定軌道。

如果不在地球赤道上的地點發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星，那么由于衛(wèi)星最初進入的軌道平面是通過發(fā)射地點和地心的，因此就會使軌道平面和地球赤道之間形成一個夾角。要讓軌道面和地球赤道面重合，就需要改變衛(wèi)星軌道平面的傾角。

一般發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星分為兩步：第一步是用火箭把衛(wèi)星送入一個遠地點在赤道上空35786km，近地點為幾百千米的大橢圓軌道，它也叫地球同步轉移軌道；第二步是在衛(wèi)星運行到遠地點時，啟動衛(wèi)星上的遠地點發(fā)動機3～4次，逐漸提高衛(wèi)星飛行速度，改變飛行方向，消除軌道傾角，把衛(wèi)星的近地點高度提升到35786km，速度的方向朝正東的水平線，從而使衛(wèi)星運行在地球靜止軌道。