航空航天技术概论第二章飞行环境及飞行原理.ppt

2.7 航天器飞行原理 轨道：航天器在空间航行的轨迹。航天器轨道通常包括：发射轨道、运行轨道、返回轨道。 2.7.1 开普勒三大定律 1、天体运动规律——开普勒三大定律 　　亚里斯多德（圆周）→开普勒（非圆周） 　　第一定律（椭圆定律）：所有行星绕太阳的运行轨道都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。 　　第二定律（面积定律）：在相等的时间内，行星与太阳的连线所扫过的面积相等。 　　第三定律（调和定律）：行星公转周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比。 开普勒定律说明图 2、人造天体的运动规律 把卫星看做行星，把地球看做太阳就得到人造天体（卫星）运动规律： 1）卫星的运行轨道是个椭圆，地球在它的一个焦点上，轨道面通过地心。 2）卫星和地心连线在同一时间间隔内扫过的面积相等。卫星在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。 3）卫星的运行周期只和半长轴有关。 图2-73 一般圆锥曲线 2.7.2 航天器的轨道方程与宇宙速度 1、 航天器的轨道方程 根据万有引力定律和牛顿第二定律，航天器的轨道方程是圆锥曲线，其极坐标方程为 　 其中r为圆锥曲线的任意一点到焦点的距离。e为圆锥曲线的偏心率。p为正焦距或半通径。f为r与焦点至近心点之间连线的夹角，叫真近点角。 航天器轨道（开普勒轨道）的类型取决于偏心率e。 e=0 圆轨道 0e1 椭圆轨道 e=1 抛物线轨道 e1 双曲线轨道 图2-74 e不同时航天器轨道的类型 2、椭圆轨道的性质 　　行星在太阳系中运动时，其中心引力为太阳引力，并以太阳为焦点。近地点是距地心最近的点，也是速度最大的点；远地点是距地心最远的点，也是速度最小的点；轨道周期T决定于椭圆半长轴a： 3、 宇宙速度 圆轨道速度 v=7.91km/s时，为第一宇宙速度，轨道为圆。　 v=11.8km/s时，为第二宇宙速度，轨道为抛物线，航天器脱离地球轨道。　 v=16.6km/s时，为第三宇宙速度，轨道为双曲线，航天器飞离地球，最终飞出太阳系。 7.91km/sv11.18km/s时，轨道为椭圆，航天器绕地球飞行。　 11.8km/sv16.6km/s时，轨道为抛物线，航天器脱离地球。 2.7.3 轨道要素和卫星轨道 1. 轨道要素（用来定轨） 要确定航天器运行轨道在任意时刻的位置和速度，就需要用轨道要素来描述。 轨道六要素：半长轴a、偏心率e、升交点赤经Ω、轨道倾角i、近地点幅角ω、过近地点时间t。 通过以上六个要素，可以完全确定航天器轨道的形状、方位以及航天器任一时刻在轨道上的位置。 首先来介绍几个概念： 地球赤道平面：通过地心且垂直于地球自旋轴的平面。 黄道平面：地球绕太阳公转的平面。 春分线：黄道平面和赤道平面的交线。 春分点方向：春分时刻地心——日心连线的方向。（基本不变） 由此建立地心惯性坐标系：原点O为地心，z轴垂直于赤道平面，指向北极，x，y轴在赤道平面内，且x轴指向春分点方向。 轨道倾角 ：轨道平面与赤道平面的角度。 近地点幅角 ：从升交点顺着运动方向到近地点所转过的角度。 过近地点时间 ：轨道运动的时间基准。 升交点：航天器从南半球进入北半球时，穿越赤道平面的点。（降交点） 交点线：升交点到降交点的连线。 升交点赤经 ：从春分线OV到交点线OB之间的角度。 2. 卫星轨道 卫星轨道：指从火箭与卫星分离开始，到卫星返回地面前为止，卫星质心的运动轨迹。根据分类不同和卫星承担的任务不同，卫星轨道可分为多种。 1）圆轨道和椭圆轨道 圆轨道：实际中没有一条是e=0的圆轨道，把e0.1的椭圆轨道看作圆轨道。 椭圆轨道：其余均为椭圆轨道。 空间站与航空飞机 2）顺行轨道和逆行轨道 顺行轨道：从北极看，卫星飞行方向和地球自转方向相同的轨道。 逆行轨道：从北极看，卫星飞行方向和地球自转方向相反的轨道。 3）地球同步轨道 　　地球同步轨道：轨道周期等于地球自转周期的轨道。 　　地球静止轨道：地球同步轨道是圆轨道，而且是赤道轨道，则卫星相对于地球是完全静止的。这样的轨道称为地球静止轨道。它是地球同步轨道的一种特例。适用于通信卫星、气象卫星和数据中继卫星。 地球同步轨道卫星 4）太阳同步轨道　　轨道面在空间不是固定不动的，它绕地球自旋轴转动。当转动的角速度和地球公转的平均角速度一致时，这样的轨道逆行称为太阳同步轨道。 　5）极轨道　　轨道倾角在90度附近的轨道叫极轨