四、举例
打算发射一枚火箭入轨,轨道参数是这样的。在近地点到地面的高度为100km,远地点到地面的高度为200km,关机点和近地点的夹角是120度。已知地球平均半径R=6371km,问火箭主动段关机点的参数?
解:,远地点到地心距离
$$r_a=6371+200=6571km$$
近地点到地心距离
$$r_p=6371+100=6471km$$
偏心率
$$e=\frac{r_a-r_p}{r_a+r_p}=0.00767$$
半长轴
$$a=\frac{r_a+r_p}{2}=6531km$$
半通径
$$p=a\cdot (1-e^2)=6520.62km$$
关机点到地心的距离
$$r_k=\frac{p}{1+e\cdot cosf}=6545.72km$$
关机点的海拔高度为
$$h_k=r_k-R=174.72km$$
关机点的速度大小
$$V_k=\sqrt{\frac{\mu }{p}(1+2\cdot e \cdot cosf+e^2))}=7.79km/s$$
关机点弹道倾角为(弹道倾角:速度方向与当地水平面的夹角)
$$tan\Theta =\frac{e\cdot sinf}{1+e\cdot cosf}=6.67/time 10^{-3},\Theta=0.38^{\circ}$$
所以想要获得所需轨道,只需在距地面174.72千米处,使得关机点的速度为7.79千米每秒,速度与当地水平面的夹角为0.38度即可。
可能有人会奇怪,为什么关机点速度小于7.9km/s?这是因为7.9km/s是第一宇宙速度,也是成为人造卫星的最大速度,即人造卫星贴地飞行时速度是7.9km/s。事实上卫星距离地面越远,则速度越慢。举个极端例子,近地轨道卫星一天能绕地球十几圈,而同步轨道上的卫星几乎相对地面静止。
五、小结
(1)火箭入轨后的轨道唯一取决于主动段关机点的参数。
(2)可以根据椭圆轨道的参数计算出关机点的参数。
(3)通过设计火箭主动段弹道,即可实现火箭进入预定轨道。
(4)控制的过程是,(a)首先火箭垂直起飞,以最快速度离开稠密的底层大气,减少能量消耗。(b)然后进行程序转弯,在跨声速段,保持攻角为零,避免火箭受气动力过大导致结构破坏,最后要转弯到指定的弹道倾角,并保持这个角度。(c)当火箭加速到关机速度时,执行关机指令,发动机关机。启动反推火箭,星箭分离,卫星进入轨道。
(5)注意设计的椭圆轨道不应与地面有交点,会变成弹道导弹的,会砸到人的。
END
2020/06/20 18:41 修改:补一个仿真结果
图1 另一个帖子里的程序的仿真结果,0刻度的水平线左右两侧分别是近地点和远地点。因为绘图原因,显示略有干扰。
图2 参数和图1一致,只是对绘图结果进行了调整,方便观察。近地点与关机点(图中发射点)的夹角为设计值120deg。
图3 右侧远地点的放大结果。到地面的距离刚好是100km卡门线的2倍,即200km远地点。
图4 左侧近地点的放大结果。与100km卡门线重合,对应于100km近地点。
通过数值仿真,说明了文中给出的计算公式的正确性。
时段 | 个数 |
---|---|
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 | {{f.fileCount}} |