宇宙航行及变轨

1、宇宙航行宇宙航行牛顿的猜想牛顿的猜想牛顿的手稿牛顿的手稿想一想想一想: :物体初速度达到多大时就可以成为一颗人造物体初速度达到多大时就可以成为一颗人造卫星呢卫星呢? 方法一：卫星做圆周运动，由万有引力提供向心力，根据牛顿第二定律得22M mvGmrr112466.67 105.89 10m/s 7.9km/s6.37 10GMvr方法二：由于卫星在地球附近环绕时，卫星做圆周运动的向心力可看作由重力提供，根据牛顿第二定律得 66.37 10 9.8m /s 7.9km /svgR 2vm gmR第一宇宙速第一宇宙速我们把我们把7 7.9km/s.9km/s叫做叫做第一宇宙速度第一宇宙速度第一宇宙

2、速度又叫环绕速度第一宇宙速度又叫环绕速度意义：意义：它是人造卫星在地面附它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须近绕地球做匀速圆周运动所必须具备的速度具备的速度 第一宇宙速度是人造地球卫第一宇宙速度是人造地球卫星的最小发射速度和最大环绕星的最小发射速度和最大环绕速度速度为什么？为什么？ 在地面附近发射在地面附近发射物体，如果发射速物体，如果发射速度大于度大于7.9km/s7.9km/s，而，而小于小于11.2km/s11.2km/s，那，那么它绕地球运动的么它绕地球运动的轨道就不是圆，而轨道就不是圆，而是椭圆。是椭圆。V1=7.9km/s地球V2=11.2km/sV3=16.7km/s

3、 如果速度继续增大，大于或等于如果速度继续增大，大于或等于11.2km/s11.2km/s时，它就会克服地球的引力，永远离开地时，它就会克服地球的引力，永远离开地球，成为绕太阳运动的一颗人造行星。球，成为绕太阳运动的一颗人造行星。第二宇宙速度第二宇宙速度我们把我们把11.2km/s11.2km/s叫做叫做第二宇宙速度第二宇宙速度第二宇宙速度又叫脱离速度第二宇宙速度又叫脱离速度意义：意义：使卫星挣脱地球引力使卫星挣脱地球引力束缚的最小发射速度。束缚的最小发射速度。意义：意义：使卫星挣脱太阳引力束缚的使卫星挣脱太阳引力束缚的最小发射速度。最小发射速度。第三宇宙速度第三宇宙速度 在地球表面发射物体如

4、果速度达在地球表面发射物体如果速度达到到16.7km/s16.7km/s或以上时，物体（或卫或以上时，物体（或卫星）就可以挣脱太阳的引力，飞到星）就可以挣脱太阳的引力，飞到太阳系以外的地方。这一速度太阳系以外的地方。这一速度 叫做第三宇宙速度。叫做第三宇宙速度。第三宇宙速度也叫逃逸速度第三宇宙速度也叫逃逸速度 2、据天文学家测量，月球、据天文学家测量，月球的半径为的半径为1738km，月球表面的，月球表面的重力加速度约为地球表面重力重力加速度约为地球表面重力加速度的加速度的1/6，月球表面在阳光，月球表面在阳光照射下的温度可达照射下的温度可达127，而此，而此时水蒸气分子的平均速率达时水蒸气分

5、子的平均速率达2000m/s。试分析月球表面没。试分析月球表面没有水的原因有水的原因卫卫 星星按用途分类按用途分类: :通信卫星通信卫星, ,气象卫星气象卫星, ,资源卫星，侦察卫星资源卫星，侦察卫星按轨道分类按轨道分类: :极地卫星极地卫星; ;赤道卫赤道卫星星; ;其他卫星其他卫星一、卫星的分类一、卫星的分类赤道轨道赤道轨道极地轨道极地轨道其他轨道其他轨道思考：卫星的运动轨道思考：卫星的运动轨道有何特征？有何特征？二、卫星的轨道二、卫星的轨道卫星的运动轨道会如下吗？F2FF1 因为是万有引力束缚卫星使因为是万有引力束缚卫星使其绕地球运动，所以其绕地球运动，所以轨道平轨道平面一定经过地球中心

6、。面一定经过地球中心。问题探究问题探究2 2：设地球和卫星的质量设地球和卫星的质量分别为分别为M M和和m m，卫星到，卫星到地心的距离为地心的距离为r r，你，你能求出卫星环绕地球能求出卫星环绕地球的线速度多大的线速度多大 ？角速？角速度多大？周期多大？向心加速度多大？度多大？周期多大？向心加速度多大？你能从中得出什么结论？你能从中得出什么结论？地球1234v1v2=v3v4T1T2=T32=34 三、三、人造地球卫星的运动规律人造地球卫星的运动规律结论：结论： 1 1、卫星轨道半径越大，环绕速度、卫星轨道半径越大，环绕速度v v越小。越小。 2 2、卫星轨道半径越大，角速度、卫星轨道半径越

7、大，角速度越小。越小。 4 4、人造地球卫星轨道半径越大，向心、人造地球卫星轨道半径越大，向心加速度加速度a a越小。越小。 3 3、人造地球卫星轨道半径越大，周期、人造地球卫星轨道半径越大，周期T T越大。越大。也可以说，卫星的也可以说，卫星的轨道半径定轨道半径定了，那么线速度，了，那么线速度，角速度，周期，向心加速度就定了角速度，周期，向心加速度就定了思考思考 对于同一轨道运行的卫对于同一轨道运行的卫星会不会相撞？为什么？星会不会相撞？为什么？四、地球同步卫星四、地球同步卫星 1、定义、定义所谓地球同步卫星，是相对于地面所谓地球同步卫星，是相对于地面静止静止的和地球具有相同的和地球具有相同

8、周期周期的卫星，同步卫的卫星，同步卫星必须位于星必须位于赤道平面内赤道平面内，且到地面的，且到地面的高高度一定度一定。r v T a “全部固定全部固定” 圆轨道在赤道平面，即圆轨道在赤道平面，即在赤道的正上方；周在赤道的正上方；周期与地球自转周期相期与地球自转周期相同，为同，为24小时；绕行小时；绕行方向为自西向东。方向为自西向东。 大家能否计大家能否计算出同步卫星算出同步卫星的高度，线速的高度，线速度呢？度呢？2、地球同步卫星的运行特征、地球同步卫星的运行特征可概括为四个一定可概括为四个一定定轨道平面定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面其运行轨道平面在赤道平面内；内；定周期定周期,即运行周

9、期等于地球自转周期即运行周期等于地球自转周期（24 h）定高度定高度，即离地面高度一定（，即离地面高度一定（h=36000 km）定速度定速度，即运行速度一定（，即运行速度一定（v3.1km/s）3 3、同步卫星的应用：主要用于通信、同步卫星的应用：主要用于通信3 3颗同步卫星可实现全球覆盖颗同步卫星可实现全球覆盖所以也叫所以也叫通信卫星通信卫星4、近地卫星 近地卫星是指卫星的轨道半近地卫星是指卫星的轨道半径近似等于地球半径，其周期径近似等于地球半径，其周期约为约为84分钟。其向心力由万有分钟。其向心力由万有引力提供。引力提供。5、同步卫星同步卫星、近地卫星近地卫星和赤道上赤道上随地球自转的物

10、体随地球自转的物体的三种匀速圆周运动的异同（1）、轨道半径：）、轨道半径： 赤道上的物体赤道上的物体和和近地卫星近地卫星的轨的轨道半径相等，都等于地球半径；道半径相等，都等于地球半径；同同步卫星步卫星的轨道半径约为地球半径的的轨道半径约为地球半径的六倍。六倍。（2）、运行周期：）、运行周期： 同步卫星同步卫星与与赤道上的物赤道上的物体体的运动周期都等于地球的的运动周期都等于地球的自转周期；自转周期；近地卫星近地卫星的运行的运行周期约为周期约为84分钟。分钟。（3）、向心加速度：）、向心加速度： 对对同步卫星同步卫星与与近地卫星近地卫星，由，由aGM/r2知，因为知，因为r同同r近近，所以，所以

11、a同同a近近；而对；而对赤道上的物体赤道上的物体与与近地卫星近地卫星，其半径相同，由其半径相同，由ar2知，知，a近近a物物。（4）、受力情况及动力学规律：）、受力情况及动力学规律： 近地卫星近地卫星和和同步卫星同步卫星在绕地球运在绕地球运行时都只受到地球的引力，提供其做行时都只受到地球的引力，提供其做匀速圆周运动的向心力；在匀速圆周运动的向心力；在赤道上的赤道上的物体物体受到地球的引力和地面的支持力受到地球的引力和地面的支持力（其大小等于物体的重力），两个力（其大小等于物体的重力），两个力的合力提供向心力，不适用卫星的规的合力提供向心力，不适用卫星的规律公式。律公式。1、回顾航天史、回顾航天

12、史世界上第世界上第一个想利一个想利用火箭飞用火箭飞行的人行的人 1414世纪世纪梦想成真（航空领域重大成就）梦想成真（航空领域重大成就）19611961年年4 4月月1212日苏联空军日苏联空军少校加加林乘坐东方一少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，号载人飞船进入太空，实现了人类进入太空的实现了人类进入太空的梦想。梦想。19691969年年7 7月月2020日，阿波罗日，阿波罗1111号将人类送上了月球。号将人类送上了月球。20032003年年1010月月1515日神日神舟五号舟五号杨利伟杨利伟20052005年年1010月月1212日日神神舟六号费舟六号费俊龙聂海俊龙聂海胜胜3 3、展望

13、未来、展望未来美国美国“凤凰凤凰”号火星探测器号火星探测器20072007年年8 8月月4 4日发射，日发射，20082008年年5 5月月2525日在火星着陆。日在火星着陆。“卡西尼卡西尼”号土星探测器号土星探测器19971997年年1010月月1515日发射升空，日发射升空，20042004年年1 1日飞抵土星。日飞抵土星。“先驱者先驱者”1010号号太空探测器太空探测器19721972年年3 3月月2 2日发射升空，日发射升空， 19861986年年6 6月飞出太阳系月飞出太阳系光子火箭光子火箭星球大战星球大战超光速飞船超光速飞船“千年隼千年隼”号号宇宙航行宇宙航行变轨问题变轨问题思考：

14、思考：人造卫星在人造卫星在低轨道上运行低轨道上运行，要想让其，要想让其 在在高轨道上运行高轨道上运行，应采取什么措施？，应采取什么措施？在低轨道上加速，使在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即点处时再次加速，即可使其沿可使其沿高轨道运行。高轨道运行。. PQ22RMmGRmv122211,vRMmGRmv使使卫星加速到222LMmGLmv2233vLMmGLmv，使使卫星加速到1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道火将其送入同步圆轨道3。轨道。轨道1、2相切于相切于P点，点，2、3相切于相切于Q点。当卫星分别在点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，