028卫星变轨、发射、回收、空间站对接及其能量问题 精讲精练-2022届高三物理一轮复习疑难突破微专题

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028 卫星变轨、发射、回收、空间站对接及其能量问题
一.必备知识
1.卫星变轨的基本原理
当卫星开启发动机，或者受空气阻力作用时，万有引力不再等于卫星所需向
心力，卫星的轨道将发生变化。如图所示。
(1) 当 卫 星 的 速 度 增 加 时 ，
G<m， 即 万 有 引 力 不 足 以 提 供
向心力，卫星将做离心运动，脱
离原来的圆轨道，如果速度增加
很缓慢，卫星每转一周均可看成
做匀速圆周运动，经过一段时间，
轨道半径变大，当卫星进入新的
轨道运行时，由 v＝ 可知其运
行速度比在原轨道时小。
(2)当卫星的速度减小时，G>m，即万有引力大于所需要的向心力，卫星将做
近心运动，脱离原来的圆轨道，如果速度减小很缓慢，卫星每转一周均可看成做
匀速圆周运动，经过一段时间，轨道半径变小，当卫星进入新的轨道运行时，由
v＝ 可知其运行速度比在原轨道时大。例如，人造卫星受到高空稀薄大气的摩擦
力，轨道高度不断降低。
2．卫星的发射与回收原理
卫星轨道的突变：由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间内启动飞
行器上的发动机，使飞行器轨道发生突变，使其进入预定的轨道。如图所示，发
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离心运动
m
M
v
F
引
F F
引 向
F F
引 向
F F
引 向
减小
近心运动
匀速圆周运动
028 卫星变轨、发射、回收、空间站对接及其能量问题
射同步卫星时，可以分多过程完成：
(1)先将卫星发送到近地轨道Ⅰ，使其绕地球做匀速圆周运动，速率为 v1。
(2)变轨时在 P点点火加速，短时间内将速率由 v1增加到 v2，这时<m，卫星
脱离原轨道做离心运动，进入椭圆形的转移轨道Ⅱ。
(3)卫星运行到远地点 Q时的速率为 v3，此时进行第二次点火加速，在短时间
内将速率由 v3增加到 v4，使卫星进入同步轨道Ⅲ，绕地球做匀速圆周运动。
飞船和空间站的对接过程与此类似。卫星的回收过程和飞船的返回则是相反
的过程，通过突然减速，>m，变轨到低轨道，最后在椭圆轨道的近地点处返回地
面。发射或回收示意图如下：
空间站对接示意图如下：
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028 卫星变轨、发射、回收、空间站对接及其能量问题
3．卫星变轨时三类物理量的定性比较
(1)速度：设卫星在圆轨道Ⅰ、Ⅲ上运行时的速率分别为 v1、v4，在轨道Ⅱ上
过P、Q点时的速率分别为 v2、v3，在 P点加速，则 v2>v1；在 Q点加速，则
v4>v3。又因 v1>v4，故有 v2>v1>v4>v3。
(2)加速度：因为在 P点不论从轨道Ⅰ还是轨道Ⅱ上经过，P点到地心的距离
都相同，卫星的加速度都相同，设为 aP。同理，在 Q点加速度也相同，设为 aQ。
又因 Q点到地心的距离大于 P点到地心的距离，所以 aQ<aP。
(3)周期：设卫星在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轨道上运行周期分别为 T1、T2、T3，轨道半径
或半长轴分别为 r1、r2、r3，由＝k可知 T1<T2<T3。
4.能量问题
卫星速率增大(发动机做正功)会做离心运动，轨道半径增大，万有引力做负功，卫星
动能减小，由于变轨时遵从能量守恒，稳定在圆轨道上时需满足 G＝m，致使卫星在较高轨道
上的运行速率小于在较低轨道上的运行速率，但机械能增大(发动机做正功)；
相反，卫星由于速率减小(发动机做负功)会做向心运动，轨道半径减小，万有引力做
正功，卫星动能增大，同样原因致使卫星在较低轨道上的运行速率大于在较高轨道上的运行
速率，但机械能减小(发动机做负功)。
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摘要：

028卫星变轨、发射、回收、空间站对接及其能量问题一.必备知识1.卫星变轨的基本原理当卫星开启发动机，或者受空气阻力作用时，万有引力不再等于卫星所需向心力，卫星的轨道将发生变化。如图所示。(1)当卫星的速度增加时，Gm，即万有引力大于所需要的向心力，卫星将做近心运动，脱离原来的圆轨道，如果速度减小很缓慢，卫星每转一周均可看成做匀速圆周运动，经过一段时间...

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