同步卫星轨道高度(近地轨道,中轨、同步轨道分别位于什么高度?)

时间:2024-09-30 08:43:49

在介绍各国的运载火箭时,除了重量、尺寸、发动机推力等指标外,还经常会说往往近地轨道(LEO)有效载荷多少吨、地球同步转移轨道(GTO)有效载荷多少吨,那这些轨道的高度是多少呢?又有什么用处呢?


在讲轨道之前,先说一个也是大家经常看到的名词,卡门线。卡门线并非一个准确的界限。它是科学界用来定义航天或者航空的分界线。

目前国际航空联合会(FAI)和国际宇航联合会(IAF)认定的卡门线高度为100km,美国人认为是80km,他们有时候总想标新立异一下。这个名字是为了纪念匈牙利裔美国工程师和物理学家冯˙卡门教授,这可是个大牛,他是钱学森、郭永怀在加州理工学院的博士导师。他首次计算出了航空飞行器的理论高度极限大约是83.6 公里,在这个高度,由于空气稀薄,飞行器需要比第一宇宙速度更高的速度才能获得足够的空气升力,这句话比较拗口,总之,这个高度是空气动力学的分界线。

介绍完了卡门线,先说说低地球轨道、近地轨道,通常也说LEO。近地轨道一般高度在 卡门线到2000 公里之间的近圆形轨道,绝大多数遥感卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。比如中国空间站,就运行在 389.1 公里的近圆形轨道上,轨道速度为 7.67 公里/秒,每 92.3 分钟绕地球一圈。马斯克的星链,轨道就分别在300km、550km和1100km高度。轨道选择通常都在300km以上,太低大气阻力比较明显,对航天器寿命影响极大。但是低轨道对侦察观测比较友好,信噪比较高,同时周期也短。当前的载人航天除了阿波罗登月,其余都在近地轨道进行。



中地球轨道,简称中轨,MEO,轨道高度位于2000km到35786km之间。比较典型的是中国的北斗(21500km)和美国的GPS(20200km)、伽利略(23222km)、格洛纳斯(19100km),这些导航星的轨道周期大约为12小时,又被称为半同步轨道。

中轨还有一个俗称的大椭圆轨道,或者叫做闪电轨道、莫尼亚轨道,这种倾角倾角为 63.4 度,近地点 600 公里左右,远地点高度约 39,700 公里,这个轨道比较适合苏联的国土位置。

地球同步轨道,顾名思义,就是其轨道周期与地球自转周期一致,为 23 小时 56 分 4 秒。在一天的时间里,该物体在天空中的位置可能保持静止或描绘出一条路径,通常呈 8 字形,其精确特征取决于轨道的倾角和偏心率。圆形地球同步轨道的恒定高度为 35,786 公里。



地球同步轨道的一个特例是地球静止轨道,GEO,其倾角和偏心率都等于 0。在地面观测者看来,这样的航天器是在天空固定不动的。通信卫星和气象卫星一般运行在静止轨道,因此地面站天线只要对准卫星的定点位置就可以通讯,而不用转动天线。

完全稳定的地球静止轨道是一个只能近似的理想状态,实际上,由于太阳风、辐射压力、地球引力场的变化以及月球和太阳的引力效应等扰动,卫星会偏离轨道,必须使用推进器维持轨道。