专题4：卫星的变轨问题（教学课件）-【上好课】2022-2023学年高一物理同步备课系列（人教版2019必修第二册）

专题4：卫星的变轨问题 主讲老师：陈庆威 2023.02.14 视频欣赏 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？ 01 02 03 目录 如何变轨 变轨类型 为何变轨 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，然后通过点燃三级火箭逐级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。 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。 原因二：发动机 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。 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。 原因三：测控要求 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）。 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。 原因四：发射窗口 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 离心运动 无动力运行 向后点火加速 匀速圆周运动 向前点火减速 近心运动 三、变轨过程1——低轨到高轨 · v2 v3 v4 v1 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 离心运动 离心运动 低圆轨道(Ⅰ)——P点加速 椭圆转移轨道(Ⅱ)——Q点加速 高圆轨道(Ⅲ) v3 v4 1 v1 v2 减速，v3>v2 2 3 θ＞900 v F引 加速v2>v1 加速v4>v3 切点P 切点Q 三、变轨过程2——高轨到低轨 · v2 v3 v4 v1 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 近心运动 近心运动 低圆轨道(Ⅲ)——Q点减速 椭圆转移轨道(Ⅱ)——P点减速 高圆轨道(Ⅰ) 三、变轨过程2——高轨到低轨 卫星的回收演示 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 · v2 v3 v4 v1 Ⅰ 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（　　） A．在轨道Ⅰ的线速度大于第一宇宙速度 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 【参考答案】B 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（   ） A． 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