從動力學角度分析
——當飛船發動機噴氣加速,飛船的速度增加,作圓周運動所需的向心力增加,但是圓周運動所提供的向心力(即萬有引力)不變,飛船將會作離心運動,其運行軌道將提升,速度將會減小。
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舉例人造衛星、宇宙飛船(包括空間站)在軌道運行的過程中,常常需要變軌。除了規避“太空垃圾”對其的傷害外,主要是為了保證其運行的壽命。據介紹,由於受地球引力影響,人造衛星、宇宙飛船(包括空間站)運行軌道會以每天 100米左右的速度下降。這樣將會影響人造衛星、宇宙飛船(包括空間站)的正常工作,常此以久將使得其軌道越來越低,最終將會墜落大氣層。據俄羅斯飛行控制中心2010年2月21日淩晨宣布,國際空間站運行軌道當天順利提升了6.2公裏,為俄羅斯載人飛船及美國航天飛機與空間站對接創造了條件。
此次軌道提升從莫斯科時間21日零時15分(北京時間21日5時15分)開始,對接在國際空間站“星辰”服務艙上的俄“進步 M-04M”貨運飛船的8個發動機被啟動,並工作了1557秒,從而使國際空間站運行軌道提升了6.2公裏,最後到達距地球約349公裏的太空軌道,整個過程是在自動狀態下完成的。飛船的發動機向後噴氣將會獲得向前的加速度,飛船的姿態將發生變化。那麽從物理學角度如何來分析這個變軌過程?按照人造衛星運行的規律,其在軌的運行速度V大小由下列公式決定:
其中G為萬有引力恒量,M為地球的質量,r為人造衛星的軌道半徑(地球半徑R + 人造衛星距地面高度h)。從以上公式可以看出,在軌的人造衛星其速度完全由軌道半徑大小決定:與其的平方根成反比——軌道半徑越小的,其速度越大(貼地球表面飛行,其速度最大,即為第壹宇宙速度7.9千米/秒);軌道半徑越大的,其速度越小。在變軌過程中,人造衛星由低軌道調整到高軌道,其軌道半徑增加,那麽運行速度將比原來的小。根據上面的公式,我們可以計算出隨著人造衛星軌道半徑增加,其運行速度(變化)的數據: 從以上表格的數據可以看到,隨著人造衛星軌道半徑的增加(距地面高度的增加),其運行速度越來越小。高度每增加50千米,速度約會減小28米/秒(不是線性減小)。這次國際空間站運行軌道提升了6.2公裏,其運行速度只減小了3米/秒。有人可能對此會提出疑問——明明是飛船發動機噴氣加速,那麽在變軌過程中,飛船的速度應該是逐漸增加的。