2.4　卫星轨道的摄动和机动

人造卫星在轨道上运行，一方面会受到外界因素的影响而导致轨道改变，另一方面可以通过调姿火箭向外喷气改变原有轨道。前者称为轨道摄动，后者称为轨道机动。

2.4.1　轨道摄动

人造地球卫星在太空运行中会受到太阳引力、月球引力、其他天体引力、大气阻力、太阳光辐射压力等对其运动的影响。由于这些力远小于地心引力，故将这些力统称为干扰力或摄动力。考虑摄动力作用所得到的航天器运动轨道与不考虑摄动力所得到的（理想）轨道之间存在着偏差，我们把摄动力对航天器轨道的影响称为轨道摄动。

下面对几种摄动力对航天器运行轨道所造成的摄动结果加以描述。

（1）大气阻力摄动

大气阻力直接影响近地轨道卫星和空间站的轨道寿命。由于大气密度随高度的增加而迅速减小，因此大气摄动对航天器轨道的影响也随着运行高度的增加而迅速减小。高度在160千米的卫星，其寿命只有几天甚至几圈。对空间站等需长期运行的近地轨道航天器，要定期施加推力，提高轨道高度，保证在完成任务前不致陨落。图2-10为大气层对航天器轨道的影响，由于大气阻力摄动的影响，卫星轨道高度不断降低。

（2）地球扁率摄动

由于地球不是圆球体，其内部密度分布也不均匀，因此地球各处对卫星的引力也不相同，这也就存在着地球形状摄动，称为地球扁率摄动。其中，地球赤道隆起处对卫星运动的影响最大，它是地球形状摄动的主要部分。在这一摄动下，卫星轨道是一个随时都在变化的椭圆，比如地球扁率会使地球静止轨道卫星从静止位置向东漂移。

（3）天体引力摄动

研究航天器绕地球中心运动时，地球引力是主要力，但其他天体（如太阳、月亮）与航天器之间也存在万有引力。这些引力会对航天器轨道产生摄动。对近地卫星可以忽略太阳和月球引力的摄动，但对高轨道卫星，特别是地球同步轨道卫星，太阳和月球引力产生的影响较为显著。如在2万千米以上的高空，太阳和月球引起的摄动仍小于地球扁率引起的摄动；但在5万千米以上的高空，它们引起的摄动就超过了地球扁率引起的摄动。

（4）太阳辐射压力摄动

在量子力学中，光被看作光子流，它具有一定的动量。光子流作用在卫星表面，形成光压。太阳光压对航天器轨道引起的摄动大小与光压强度、卫星表面积成正比，与卫星质量成反比。当轨道高度高于800千米时，太阳辐射压力摄动对大而轻的卫星或带有大型太阳能电池翼的卫星的作用较为显著。太阳光压的长期作用，会引起轨道参数以及卫星姿态的变化。当卫星运行到地球阴影区时，太阳光被地球挡住，太阳辐射压力就消失了。

2.4.2　轨道机动

航天器在控制系统作用下可以按人们的要求使轨道发生改变，也就是说航天器可以从某一已知的轨道运动改变为另一条要求的轨道运动，这种有目的的轨道变动称为轨道机动。轨道可以改变是人造天体与自然天体的最大不同。

航天任务常要求航天器从高轨道转移到低轨道，或从低轨道转移到高轨道，这要依靠轨道机动；当两个航天器交会与对接，或要求军用航天器移动到特定区域执行对地观测任务时，也要依靠轨道机动；消除摄动因素对轨道的影响和消除入轨点运动参数偏差的影响，同样也离不开轨道机动。因此轨道机动包括轨道改变、轨道转移、轨道交会、轨道返回、轨道保持和修正等多个方面。

轨道机动要求航天器安装具有喷气推力装置的轨道机动系统或轨道控制系统。轨道机动所需的推力由动力装置提供，通常采用可以多次点火启动的火箭发动机。

（1）轨道改变

当初轨道与终轨道相交（或相切）时，在交点（或切点）施加一次冲量（开启火箭发动机），即可实现航天器由初轨道转入终轨道，这种情况称为轨道改变（图2-11）。

轨道改变依赖于速度的改变，实际情况中要根据需要选择合适的时机进行变轨。如从地球同步转移轨道转向地月转移轨道时，为了减小能量的消耗，在轨道近地点进行轨道机动是比较经济的，因为在近地点卫星运行速度快，施加不大的速度增量就可以让航天器进入地月转移轨道。

（2）轨道转移

当初轨道与终轨道不相交或不相切时，至少要施加两次推力冲量才能使航天器由初轨道进入终轨道，这种情况称为轨道转移（图2-12）。连接初轨道和终轨道的中间轨道，称为过渡轨道或转移轨道。若转移前后的轨道在同一平面内，则称为共面转移；若转移后改变了轨道倾角，则称为非共面转移。发射地球同步卫星、发射月球或行星探测器都要使用轨道转移技术。两个不同高度的同心圆轨道之间最省能量的转移，称为霍曼转移，用于转移的轨道称为霍曼轨道（图2-12）。

（3）轨道交会

两个航天器经过一连串轨道机动，使这两个航天器在同一时间、以相同的速度到达空间的同一位置，这就是轨道交会。轨道交会的目的是使两个航天器在结构上连接在一起，实现轨道上的对接。轨道交会和对接常用于飞船与空间站、航天飞机与空间站、航天飞机回收卫星等场合。

在与空间站的交会对接过程中，一般把空间站作为目标。空间站是被动的，它沿原定轨道飞行，等待其他航天器来交会对接；飞船和航天飞机是主动的，它们通过轨道机动向空间站靠拢，最后实现对接。

（4）轨道返回

航天器从原来运行的轨道向地球返回的过程中，必须经过返回轨道，这种情况称为轨道返回。航天器的返回过程是一个减速过程，航天器从轨道上的高速逐步减速到接近地面时的安全着陆速度。航天器返回时，首先要使它脱离原来的运行轨道，这可以用一个能量不大的制动火箭来实现。当火箭发出一个冲量后，航天器离开原来的运行轨道，转入朝向大气层的轨道，这就是返回轨道。

（5）轨道保持和修正

轨道保持和修正是为了克服某些摄动力的影响和弥补运载火箭的入轨误差，提高轨道的运行精度，使轨道参数限制在设计规定的范围内而进行的轨道机动。例如，地球静止轨道卫星在运行时受到各种干扰力的摄动，会使卫星轨道产生漂移，因此必须进行轨道保持和修正。再比如，全球定位系统（GPS）是由在6条轨道上均匀分布的24颗导航卫星组成，6条轨道之间的间隔和每条轨道上相邻卫星的距离始终要满足一定的要求，这也需要采用轨道保持和修正技术来实现。