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航天器飞行速度

  航天器在大气层外宇宙空间的运动速度,或称航天器飞行速度、航天器轨道速度等。航天飞行速度与航天器的飞行轨道、所在天体有关。

  在讨论航天器相对于一个天体运动时,如果把天体视为质量集中的一个质点,则该天体形成的引力为中心力场,其质心为引力中心,此时航天飞行速度可由能量守恒定律确定,即:

  



  式中,为航天飞行速度,为天体的引力常数,它等于万有引力常数与天体质量的乘积, 为航天器到天体引力中心的距离,为轨道常数。当时,航天器的飞行轨道为椭圆轨道,当时,航天器的飞行轨道为抛物线轨道,当时,航天器的飞行轨道为双曲线轨道。

  圆轨道是椭圆轨道的特例,圆轨道的轨道速度称为该天体的环绕速度,其计算公式为:

  


  抛物线轨道的轨道速度称为该天体的逃逸速度,计算公式为:

  


  从上面公式可看出, 逃逸速度是环绕速度的倍。

  环绕速度和逃逸速度与天体的引力常数和航天器与天体质心的距离有关。对于太阳系内主要天体,航天器在天体表面的环绕速度和逃逸速度列出如下:

                                     天体           环绕速度             逃逸速度

                                                      (km/s)                (km/s)

                                    地球              7.9                      11.2

                                    火星              3.5                       5.1

                                    金星               7.3                     10.3

                                    土星              25.2                      35.5

                                    月球              1.68                      2.37

  航天器在地球表面的环绕速度和逃逸速度(不考虑大气影响),分别称为第一宇宙速度(7.9 km/s)和第二宇宙速度(11.2 km/s)。

  航天器从地球表面起飞(不考虑大气影响),飞出太阳系所需要的速度称为第三宇宙速度。

  第三宇宙速度(16.6 km/s)是指在地球表面脱离太阳引力场所需要的最小速度,一般由下面公式计算:

  式中,为第二宇宙速度,为假定没有地球引力作用条件下,在地球表面脱离太阳引力所需要的最小速度,为地球的公转速度。

  航天器在地球引力范围内飞行,其飞行速度一般大于等于环绕速度,小于逃逸速度。月球在地球引力范围内,因此飞向月球不需要大于逃逸速度。

  相对于地球的环绕速度、逃逸速度和脱离太阳引力速度都随高度增加而减小:

     离地球表面高度          环绕速度         逃逸速度        脱离太阳引力速度

          (km)                  (km/s)            (km/s)               (km/s)

          0                       7.9              11.2                  16.6

          200                     7.8              11.0                  16.5

          500                     7.6              10.8                  16.4

          1000                    7.4              10.4                  16.1

          5000                   5.9                8.4                  14.9

          20000                  3.9                5.5                  13.5

          35786                  3.1                4.3                  13.1

  一般,载人飞船的轨道高度在200km-500km之间,资源卫星和对地观察卫星的轨道高度在1000km以下,全球定位卫星的轨道高度在20000km左右,35786km是地球同步卫星的轨道高度。

  返回式卫星、载人飞船在完成任务后要返回地面,这时需要进行离轨制动,以降低飞行速度和方向,使之进入返回轨道,最终降落到地面。为降低再入返回时的气动加热,在再入返回过程中需要进行速度控制。

  亚轨道飞行器,是低于地球环绕速度飞行的一种飞行器,可实现远程或洲际飞行,飞行速度与飞行距离有关。美国的CAV(Common Aero Vehicle)是用于军事目的的一种亚轨道飞行器,它由运载火箭发射,分离后速度可达6km/s-7km/s,在100km~30km左右的高度进行无动力滑翔飞行,临近地面目标时,速度可保持在1km/s-2km/s左右。

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