本專(zhuān)欄為Falcon-9編寫(xiě)，ASPT發(fā)布，有錯(cuò)誤處請(qǐng)各位指出，數(shù)據(jù)截止至2020.03。如有問(wèn)題可回復(fù)提問(wèn)，小組成員會(huì)盡量及時(shí)解答。 文章無(wú)關(guān)時(shí)政，不考慮彈道導(dǎo)彈和軍事武器。

【注意】這是之前的一個(gè)“爛尾”工程，做了一半就沒(méi)再做，這里把這個(gè)“爛尾工程”放出來(lái)，也就別點(diǎn)贊什么的了，簡(jiǎn)單看看就行。

本篇目錄

一、各類(lèi)軌道及其應(yīng)用

二、引力彈弓

一、各類(lèi)軌道及其應(yīng)用：

按照高度和傾角分

按照運(yùn)動(dòng)方向分

按照高度和傾角分

【1】亞軌道

亞軌道一般是指距地面20～100km的空域，處于現(xiàn)有飛機(jī)的最高飛行高度和衛(wèi)星的最低軌道高度之間，也稱(chēng)為臨近空間或空天過(guò)渡區(qū)，大致包括大氣平流層區(qū)域、大氣中間層區(qū)域和部分電離層區(qū)域。

亞軌道也可以看為：發(fā)射到著陸整個(gè)過(guò)程都無(wú)法達(dá)到第一宇宙速度的軌道。這種軌道非常適合“廉價(jià)”太空旅游（這里的廉價(jià)當(dāng)然是富豪的角度），目前正在測(cè)試亞軌道飛行旅游的有藍(lán)色起源、維珍銀河等等。

【2】LEO（低地球軌道）

近地軌道（英文名稱(chēng)Low?Earth?Orbit），范圍在高度100km——2000km間。這種軌道運(yùn)動(dòng)速度大約7.8km/s（初中的7.9km/s指的是理想貼地速度），這個(gè)軌道的衛(wèi)星數(shù)是最多的。

LEO是所有軌道級(jí)運(yùn)載火箭的第一步，也是所有軌道最簡(jiǎn)單的一條（不考慮亞軌道），是非0°發(fā)射場(chǎng)發(fā)射GTO載荷的第一步。

LEO是大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)星座，試驗(yàn)載荷，部分探測(cè)器的所在軌道，其運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，速度變化相對(duì)較小。

高度在300km一下==以下的LEO軌道阻力會(huì)較大，若想在此種軌道長(zhǎng)期運(yùn)行，則需要?jiǎng)恿ρb置進(jìn)行頻繁的升軌操作以維持軌道。

【2】MEO（中地球軌道）

MEO：中地球軌道（英文名稱(chēng)Middle Earth?Orbit），范圍在2000km——35786km間，導(dǎo)航衛(wèi)星大多在這個(gè)軌道。這種軌道高度更高，單顆衛(wèi)星覆蓋面積更廣，更適合少數(shù)量衛(wèi)星星座。

【3】GTO（地球同步轉(zhuǎn)移軌道）

地球同步轉(zhuǎn)移軌道（英文名稱(chēng)Geosynchronous Transfer Orbit），近地點(diǎn)在近地軌道，遠(yuǎn)地點(diǎn)在地球同步軌道35786km。MAX GTO（或SSTO）指超同步轉(zhuǎn)移軌道，指近地點(diǎn)不變的情況下，遠(yuǎn)地點(diǎn)大于地球同步軌道35786km，這種軌道通常在火箭燃料充足的情況下多送衛(wèi)星一程，減少衛(wèi)星燃料的消耗。?

【4】GEO（地球同步軌道）

GEO：地球同步軌道（英文名稱(chēng)Geosynchronous?Orbit），高度為35786km。大型通訊衛(wèi)星、紅外導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星等通常在這個(gè)軌道，但這些衛(wèi)星在壽命即將結(jié)束時(shí)會(huì)升高一定的高度，進(jìn)入“墳場(chǎng)軌道”，給新的衛(wèi)星留下位置。?

【5】HEO（高橢圓軌道）

高橢圓軌道（英文名稱(chēng)Highly Elliptical Orbit）是一種具有較低近地點(diǎn)和極高遠(yuǎn)地點(diǎn)的橢圓軌道，其遠(yuǎn)地點(diǎn)高度大于靜止衛(wèi)星的高度（35786千米）。根據(jù)開(kāi)普勒定律，衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)附近區(qū)域的運(yùn)行速度較慢，因此這種極度拉長(zhǎng)的軌道的特點(diǎn)是衛(wèi)星到達(dá)和離開(kāi)遠(yuǎn)地點(diǎn)的過(guò)程很長(zhǎng)，而經(jīng)過(guò)近地點(diǎn)的過(guò)程極短。這使得衛(wèi)星對(duì)遠(yuǎn)地點(diǎn)下方的地面區(qū)域的覆蓋時(shí)間可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)12小時(shí)。這種特點(diǎn)能夠被部分通信衛(wèi)星所利用。?

這種軌道也非常適合中小型間諜衛(wèi)星，但為數(shù)不多，其中最著名的就是俄羅斯的“閃電軌道”。由于其遠(yuǎn)地點(diǎn)高的夸張，而近地點(diǎn)又低的嚇人，其軌道形狀十分扁平。在準(zhǔn)備偵查某一地區(qū)時(shí)，可在遠(yuǎn)地點(diǎn)附近進(jìn)行變軌。由于原地點(diǎn)過(guò)高，軌道周期大于12小時(shí)，所以其只需要非常非常少的燃料便可以完成幅度很大的目標(biāo)切換。只有近地點(diǎn)時(shí)才會(huì)受到阻力，且阻力很小，所以用在維持軌道的燃料少之又少。

但并不是對(duì)間諜衛(wèi)星只有好處，由于軌道很高，所以運(yùn)載火箭吃力。而且到近地點(diǎn)時(shí)速度要比一般的SSO / LEO間諜衛(wèi)星速度高不少，所以其拍攝窗口十分的緊俏。

【6】SSO（太陽(yáng)同步軌道）

太陽(yáng)同步軌道（英文名稱(chēng)Sun?Synchronous?Orbit）指的就是衛(wèi)星的軌道平面和太陽(yáng)始終保持相對(duì)固定的取向，軌道的傾角（軌道平面與赤道平面的夾角）接近90度，衛(wèi)星要在兩極附近通過(guò)，因此又稱(chēng)之為近極地太陽(yáng)同步衛(wèi)星軌道。為使軌道平面始終與太陽(yáng)保持固定的取向，因此軌道平面每天平均向地球公轉(zhuǎn)方向（自西向東）轉(zhuǎn)動(dòng)0.9856度（即360度／年）。所以大多數(shù)人對(duì)這個(gè)軌道有曲解，SSO并不是指繞日同步軌道，目前所有的火箭都無(wú)法將衛(wèi)星送到繞日同步軌道。

為保持軌道平面始終與太陽(yáng)保持固定的取向，在衛(wèi)星隨地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，軌道平面每天要自西向東作大約1°的轉(zhuǎn)動(dòng)。事實(shí)上由于地球是個(gè)扁橢球體，這種扁橢球體上的各點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的引力不等，使衛(wèi)星的軌道平面繞地軸朝著與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)相反方向旋轉(zhuǎn)，即軌道平面的進(jìn)動(dòng)。若選定合適的傾角（大于90°）使衛(wèi)星軌道平面的進(jìn)動(dòng)為1°，正好使軌道平面與太陽(yáng)始終保持固定的取向。這樣就實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)同步軌道。在這種軌道上的衛(wèi)星以固定的地方時(shí)觀測(cè)地球大氣，有較固定的光照條件。對(duì)獲取可用的資料、資料的接收、軌道的計(jì)算等都十分方便。 如果讓衛(wèi)星軌道平面在空間的轉(zhuǎn)動(dòng)與太陽(yáng)在空間的視運(yùn)動(dòng)一致，則衛(wèi)星軌道稱(chēng)為太陽(yáng)同步軌道。衛(wèi)星稱(chēng)為太陽(yáng)同步衛(wèi)星。這時(shí)太陽(yáng)視線(xiàn)與衛(wèi)星軌道平面的夾角不變，當(dāng)衛(wèi)星每次飛越某地上空時(shí)，太陽(yáng)都是從同一角度照射該地。所以SSO才是大多數(shù)間諜衛(wèi)星的所在軌道。

按照運(yùn)動(dòng)方向分

二、引力彈弓（奧伯特效應(yīng)）

沒(méi)！錯(cuò)！引力彈弓誰(shuí)不知道，KSP玩家表示這都是基本稱(chēng)操作，但你真的懂引力彈弓嗎？

引力彈弓其實(shí)就是動(dòng)量守恒的完美體現(xiàn)。由于我覺(jué)得看這些專(zhuān)欄的有一些是航天小白，所以我就分別用不同的方式來(lái)講述什么是引力彈弓。

【1】什么是引力彈弓

引力彈弓就是就是利用行星的重力場(chǎng)來(lái)給太空探測(cè)船變速，將它甩向下一個(gè)目標(biāo)，也就是把行星當(dāng)作“引力助推器”。利用引力彈弓使我們能探測(cè)冥王星以?xún)?nèi)的所有行星。在航天動(dòng)力學(xué)和宇宙空間動(dòng)力學(xué)中，所謂的引力助推（也被稱(chēng)為引力彈弓效應(yīng)或繞行星變軌）是利用行星或其他天體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和引力改變飛行器的軌道和速度，以此來(lái)節(jié)省燃料、時(shí)間和計(jì)劃成本。引力助推既可用于加速飛行器，也能用于降低飛行器速度。

【2】引力彈弓的原理

基礎(chǔ)是動(dòng)量守恒，這個(gè)就不再多說(shuō)了，我們來(lái)說(shuō)一下引力彈弓是怎樣會(huì)給飛行器加速或減速的。以下均是特殊角度和運(yùn)動(dòng)較慢的引力彈弓。

①抽象板磚碰撞解釋法

這或許是最暴力的解釋方法了，假設(shè)一個(gè)星球是一塊質(zhì)量很大且不運(yùn)動(dòng)的板磚，而飛行器是一個(gè)乒乓球，在不考慮摩擦和空氣阻力的情況下，乒乓球在碰撞板磚后基本會(huì)保持原來(lái)的速度換方向運(yùn)動(dòng)，如下圖：

再把板磚換成星球，引力看做一條彈力繩，于是就有了下圖。

因?yàn)橐陨隙际窃谔祗w未運(yùn)動(dòng)的情況下討論的，所以在經(jīng)過(guò)天體后只有方向發(fā)生了改變，而速度卻沒(méi)有發(fā)生改變。

我們?cè)偕钊胍幌?，如果天體運(yùn)動(dòng)呢？回到第一張“板磚”的圖，如果乒乓球以速度V撞向“板磚”，而“板磚”同時(shí)向右以速度V右運(yùn)動(dòng)，那么就會(huì)出現(xiàn)下面這種狀況：

（Up你是不是物理不及格，哪來(lái)的2V右？）

相對(duì)于板磚（星球）來(lái)說(shuō)，確實(shí)是V+V右，但是相對(duì)于我們（太陽(yáng)或恒星），其在板磚（星球）的速度基礎(chǔ)V右上又加了V+V右，所以是V+2V右。

再把這種情況放到第二張圖，經(jīng)過(guò)天體加速后，其速度就變?yōu)榱?span id="s0sssss00s" class="color-blue-02">V+2V右。

如果天體的運(yùn)動(dòng)方向相反，那么就是減去2倍天體的速度。但不知大家發(fā)現(xiàn)了沒(méi)有，到這就可以總結(jié)了：經(jīng)過(guò)天體后面會(huì)給航天器加速，經(jīng)過(guò)天體前面則會(huì)給航天器減速（這里的前面指的是運(yùn)動(dòng)方向，后面指的是運(yùn)動(dòng)方向的后側(cè)）。

以上都是極端理想狀態(tài)下的圖示，實(shí)際增加的速度不可能達(dá)到2倍的行星速度。

②立體解釋法

如果平面圖難懂的話(huà)，那我們就用引力場(chǎng)波浪圖來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

我們按照老套路，小球在沒(méi)有任何阻力的平面上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到不運(yùn)動(dòng)的行星時(shí)，其運(yùn)動(dòng)會(huì)是這樣的：

但如果行星運(yùn)動(dòng)呢？那么引力場(chǎng)也會(huì)隨著行星運(yùn)動(dòng)，但這時(shí)差異也就十分顯著了：

由于在中間垂直切入時(shí)和上升階段側(cè)壁會(huì)推小球，致使小球運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，而且小球受到力的作用的話(huà)小球速度也會(huì)增加，只不過(guò)不和期初小球的方向相同罷了。

但話(huà)又說(shuō)回來(lái)，引力彈弓不能只加速，所以這里有三種情況（所有情況都是以垂直切入討論，斜方向切入與之同理）：

（1）在天體運(yùn)動(dòng)方向后方切入（天體后方切入）：

如圖：天體向左運(yùn)動(dòng)，探測(cè)器從后方進(jìn)入引力場(chǎng)后，由于側(cè)壁會(huì)把探測(cè)器向左“推”，其運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)向左偏，而且速度增加。

（2）在天體運(yùn)動(dòng)方向切入（天體前方切入）：

天體向左運(yùn)動(dòng)，探測(cè)器從前方進(jìn)入引力場(chǎng)后，由于側(cè)壁反而會(huì)把探測(cè)器向右“推”，其運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)向右偏，下降的高度不如爬的高度高（我也沒(méi)有建?；A(chǔ)，不能形象表示……），從而速度減少。（也就是和（1）相反）

（3）在天體公轉(zhuǎn)方向垂直處切入（90°）：

天體向左運(yùn)動(dòng)，探測(cè)器從前方進(jìn)入引力場(chǎng)后，由于側(cè)壁基本不會(huì)對(duì)小球發(fā)生作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡基本不變，近似于下圖，從而速度基本無(wú)變化。

但速度不變化不代表方向不變化，方向會(huì)向天體偏，也就是說(shuō)，下方切入，會(huì)向上一定角度彈出，反之同理。

但以上都是垂直切入，而不是其他角度和速度，所以?xún)H供特殊角度和速度理解，不能以偏概全。

如果把所有引力彈弓總結(jié)一下，那便是：在天體運(yùn)動(dòng)方向出（天體前方出）速度增加，在天體運(yùn)動(dòng)方向后方出（天體后方出）速度減??；越近距離掠過(guò)行星的，軌跡改變更顯著。

速度對(duì)引力彈弓的影響

（以下解釋均視為行星質(zhì)量很大，探測(cè)器質(zhì)量很輕的情況下講述）

回到上面板磚那里，如下圖：

但如果小球運(yùn)動(dòng)速度（V）非?？?，那么板磚對(duì)它碰撞產(chǎn)生速度改變（2V右）就有些“微乎其微”了。

至于加速還是減速，要看彈出方向，如果彈出方向在行星運(yùn)動(dòng)正方向180°內(nèi)，那么就會(huì)有速度加成，如果相反，則會(huì)有減速加成。轉(zhuǎn)換為三維問(wèn)題也是如此，從行星下方進(jìn)入，那么就會(huì)給予探測(cè)器一個(gè)向上的力，反之同理。