专题4：卫星的变轨问题(课件)高一物理(人教版2019必修第二册)

第四部分：变轨的实质
变轨实质
变轨原因 万有引力与 向心力的关系
变轨结果
离心运动
近心运动
卫星速度增大
卫星速度减小
G
Mm r2
m
v2 r
G
Mm r2
m
v2 r
新圆轨道上运动的 线速度、角速度都减小， 周期变大，总能量增加
新圆轨道上运动的 线速度、角速度都增大， 周期变小，总能量减少
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原因二：发动机
正如汽车爬山一样，为了克服 阻力需要汽车发动机持续大功 率输出。持续高功率输出会加 重汽车发动机的负担，严重时 甚至损毁。所以人们用盘山公 路来解决汽车爬坡问题。
原因二：发动机
火箭也是一样，不过它 不仅考虑发动机输出功 率的问题，还要考虑燃 料分配等很多问题。
原因三：测控要求
发射火箭不仅要有足够的燃料， 还要能对火箭的飞行过程进行有效 的测量和控制。有效测控点越多， 测控精度就越高，发射过程也就越 可控。比如前期的入轨精度，真可 谓差之毫厘谬之千里。
【参考答案】BC
D．中国空间的面积
五、实例探究4——空间对 接
【典例4】2022年11月3日，长征五号B运载火箭将梦天实验舱送入预定轨道。之后，
梦天实验舱成功与天和核心舱对接，标志着我国空间站“T”字基本构型在轨组装完
成。天和核心舱绕地球稳定运行时距离地球表面约400km，已知地球半径约为6400km，
空间站 飞船
第三部分：两种变轨类型
渐变与突变
一、渐变 由于某种因素（如受到稀薄大气的阻力作用或外界引力等）的影
响,使卫星的轨道半径发生缓慢的变化（逐渐减小或逐渐增大），由于 半径变化缓慢，卫星的运动仍可以当做匀速圆周运动处理。
二、突变 根据发射需要，有时要在适当的位置短时间启动
飞行器上的发动机，使飞行轨道发生突变，以到达预 定的目标。
D．梦天实验舱要和在轨的天和核心舱对接，是将实验舱发射到较低的轨道上，然后
使其加速实现与核心舱对接
【参考答案】B
五、实例探究4——空间对 接
1.飞船先在比空间站低的轨道运行，运行到 某位置时，加速后到一个椭圆轨道。
2.控制使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨 道的相切点。
3.此时空间站通过机械手臂“抱住”飞船， 便可实现对接，如图示。
F
引
切点Q
v4
v3
加速v4>v3
v 减速，v3>v2
使卫星加速到
v
，使
4
mv 4 L
2
G
Mm L2
三、变轨过程2——高轨到低轨
低圆轨道(Ⅲ)——Q点减速 近心运动
椭圆转移轨道(Ⅱ)——P点减速 近心运动
v4 v3
P ·Ⅰ Q
v1
v2
Ⅱ
高圆轨道(Ⅰ)
Ⅲ
三、变轨过程2——高轨到低轨
卫 星 的 回 收 演 示
r
匀速圆周运动 离心运动 近心运动
三、变轨过程1——低轨到高轨
低圆轨道(Ⅰ)——P点加速 离心运动
椭圆转移轨道(Ⅱ)——Q点加速 离心运动
v4 v3
P ·Ⅰ Q
v1
v2
Ⅱ
高圆轨道(Ⅲ)
Ⅲ
使卫星加速到v 2
使
mv
2 2
R
G
Mm R2
切点P
加速
v2>v1
v2
mv12 R
G
Mm R2
3
2 1
v1
θ＞900
A． a13
T12
r23 T22
B．“天问一号”在A点从环火星圆轨道进入着陆准备轨道时需要开启发动机向前喷气
C．“天问一号”在环火星圆轨道上A点的加速度大于在着陆准备轨道上A点的加速度
D．由题目已知数据可以估算出火星的质量
【参考答案】BD
五、实例探究3——修正变 轨【典例3】（多选）2021年7月和10月，SpaceX公司星链卫星两次侵入中国天宫空间站轨道，为保
且地球表面的重力加速度 g 10m / s2，由以上信息可知，下列说法不正确的是（ ）
A．长征系列火箭发射时，是靠喷出气流的反冲作用获得巨大速度，则同一火箭喷出
相同质量气体时，喷出气流的速度越大，火箭获得的速度就越大
B．天和核心舱在轨稳定运行时，其速度可能等于11.2km/s
C．天和核心舱的轨道比地球同步卫星的轨道低
证空间站内工作的三名航天员生命安全，中方不得不调整轨道高度，紧急避碰。2021年10月19日 至23日，美国星链2305持续轨道变化，中国空间站于10月21日3点16分进行变轨规避风险。图示为 10月20日至23日期间星链2305和中国空间站的轨道距离地面高度数据图。假设除开变轨过程，中 国空间站在不同高度轨道上都是绕地球进行匀速圆周运动，则下列说法正确的是（ ） A．10月21日3点16分，发动机向前喷气使得中国空间站速度减小 B．中国空间站在10月22日运行的向心加速度小于其在10月20日运行的向心加速度 C．中国空间站在10月22日运行轨道的周期大于其在10月20日运行轨道的周期
这个范围的大小也叫发射窗口 的宽度。窗口宽度有宽有窄，宽 的以小时计，甚至以天计算，窄 的只有几十秒钟，甚至为零。
卫星的发射过程又是如何变轨的呢？
第二部分：如何变轨
一、变轨视频演示
二、变轨原理
无动力运行 向后点火加速 向前点火减速
G Mm m v2
r2
r
Mm
v2
G m
r2
r
Mm
v2
G m
r2
原因三：测控要求
如果直飞月球，测控点会减 少很多，测控精度必然下降， 地面控制中心很难控制飞船转 轨和变轨精度。正是由于测控 技术的限制，飞船在环月轨道 停留的时间要比环地轨道停留 的时间大很多。
原因四：发射窗口
发射窗口（Launch window） 是指比较合适运载火箭发射的一 个时间范围（即允许运载火箭发 射的时间范围）。
探测任务着陆火星取得成功。“天问一号”发射后经过地火转移轨道被火星捕获，进入环火星圆
轨道，经变轨调整后，进入着陆准备轨道，如图所示。已知“天问一号”火星探测器的火星着陆
准备轨道是半长轴为a1．周期为T1的椭圆轨道，我国北斗卫星导航
系统的中圆地球轨道卫星的轨道半径为r2，周期为T2，引力常量为G。
则下列说法正确的是（ ）
问题与思考
卫星能不能像第二幅图那样从地球直奔月球，而不需要变轨呢？
目录
01 为何变轨 02 如何变轨 03 变轨类型 04 变轨实质
第一部分：为何变轨
原因一：节能
直接飞到月球可能是最快的方式，但目前 的科技很难做到。目前的方案是首先进入地球 轨道，加速至第二宇宙速度，然后点燃三级火 箭将飞船推入地月转移轨道，飞船与三级火箭 脱离，依靠月球的引力飞向月球。这样利用地 球、月球引力不断加速变轨的措施，可以使飞 船节省大量燃料，也更利于登月舱着陆。
A．在轨道Ⅰ的线速度大于第一宇宙速度 【参考答案】B
B．在轨道Ⅰ上的运行周期小于空间站的运行周期 C．第一次变轨需瞬间加速，第二次变轨需瞬间减速 D．从椭圆轨道Ⅱ的A点运动到B点，动能增加
五、实例探究2——着陆变 轨【典例2】（多选）2021年5月15日7时18分，“天问一号”探测器成功着陆于火星，我国首次火星
四、变轨过程的加速度
设卫星在轨道Ⅰ通过P的加速度是a1，Ⅱ轨道通过P的加速度是a2,Ⅱ轨道 通过Q的加速度为a3，Ⅲ轨道通过Q的速度为a4
G
mM r2
ma1
G
mM r2
ma2
a1 a2 a3 a4 a2 a3
v4 v3
P ·Ⅰ Q
v1 v2
Ⅱ
Ⅲ
五、实例探究1——发射变 轨
【典例1】2022年11月，“天舟五号”货运飞船仅用2小时就与“天宫”空间站快 速交会对接，创造了世界纪录。飞船从预定轨道Ⅰ的A点第一次变轨进入椭圆轨道 Ⅱ，到达椭圆轨道的远地点B时，再次变轨进入空间站的运行轨道Ⅲ，与空间站实 现对接，假设轨道Ⅰ和Ⅲ都近似为圆轨道，不计飞船质量的变化，则飞船（ ）