近地軌道

航天器距地較低繞地運行的軌道

近地軌道(Low Earth orbit),又稱低地軌道,是指航天器距離地面高度較低的軌道。近地軌道沒有公認的嚴格定義。一般高度在2000千米以下的近圓形軌道都可以稱之為近地軌道。由於近地軌道衛星離地面較近,絕大多數對地觀測衛星、測地衛星、空間站以及一些新的通信衛星系統都採用近地軌道。我國用長征一號風暴一號兩種運載火箭發射的科學技術試驗衛星,用長征二號、二號丙、二號丁3種運載火箭發射的返回式遙感衛星以及用長征二號F運載火箭發射的神舟號飛船,都是從酒泉發射中心起飛被送入近地軌道運行的。通過長征三號甲運載火箭發射的北斗導航試驗衛星也是被送入近地軌道。

簡介


近地軌道又稱順行軌道,它的特點是軌道傾角即軌道平面與地球赤道平面的夾角小於90度。我國地處北半球,要把航天器送上這種軌道,運載火箭要朝東南方向發射,這樣能夠利用地球自西向東自轉的部分速度,節約火箭能量。地球自轉速度可通過赤道自轉速度、發射方位角和發射點地理緯度計算出來。因此,在赤道上朝著正東方向發射飛船,可利用的速度最大,緯度越高利用的速度越小。這就是為什麼大多數火箭總是朝著正東方向發射的緣故。
近地軌道上運行著的國土普查、氣象、資源、移動通信等各種用途的衛星,在人類生活中發揮著巨大的作用。

大氣阻力


在近地軌道上仍有稀薄的大氣,在近地軌道上運行的航天器(如運行在高度約394千米的中國天宮2號空間實驗室)受到大氣阻力的作用,軌道會逐步衰減,即軌道高度會逐步降低,為了使它能在設計的高度上運行,需要對航天器定期或不定期進行軌道維持。

工程上的使用


在描述運載火箭大致的運載能力時,針對所能發射的各種軌道來分別敘述。例如中國的快舟11號運載火箭發個近地軌道衛星的運載能力為1.5噸,發射軌道高度為700米和太陽同步軌道時的運載能力為1噸,但是由於不同的軌道參數對應不同的運載能力,所以在工程上一般要說明對應哪個發射場,哪種軌道高度,哪種軌道傾角的運載火箭的運載能力。如長征2E運載火箭在酒泉衛星發射場發射軌道高度為200千米,軌道傾角為28度的衛星時的運載能力為9300千克。

常用軌道


近地軌道中常用的幾種軌道有:回歸軌道、太陽同步軌道等。
回歸軌道是在星下點軌道周期性重複的軌道。空間站和空間實驗室常常選用回歸軌道,其中又分為兩天回歸軌道和三天回歸軌道。前蘇聯/俄羅斯的和平號空間站和中國的天宮2號空間實驗室都選用了3天回歸軌道。
所謂三天回歸軌道是每隔約3天星下點軌跡重疊出現。3天回歸軌道的高度為394千米的圓軌道。選擇3天回歸軌道的好處是一旦飛船在預定發射時刻因故未能發射,則在約3天後再次發射仍能保持飛船與空間站的初始相往角(即飛船入軌時空間站位於飛船前的地心張角),以便於交匯對接。
太陽同步軌道是軌道平面繞地球自轉軸旋轉方向與地球公轉方向相同、旋轉角速度等於地球平均角速度(即0.9856度/天)的人造地球衛星軌道。太陽同步軌道一定是軌道傾角大於90度的逆行軌道。例如中國的風雲一號氣象衛星A星的軌道設計參數為:
軌道高度:901km(圓軌道)
軌道傾角:99度
軌道偏心率:小於等於0.005
軌道周期:102.86min。
在太陽同步軌道上運行和衛星從相同方向經過同一緯度的當地時間是相同的,它可以保證在一個較長時段對特定區域有較好的光照條件,便於空間光學遙感相機的對地拍攝。

軌道特性


在近地軌道的物體仍然受熱成層(離地約80至500公里)或散逸層(離地約500公里以外)的氣體阻力影響,視乎軌道的高度而定。近地軌道在大氣層與內范艾倫輻射帶之間,高度通常不低於300公里,否則軌道會因為大氣阻力而變得無用。

人類使用


近地軌道
近地軌道
國際空間站,由亞特蘭提斯號太空梭在2007年6月19日拍攝國際空間站在一個軌道高度距離地球表面從
319.6km到346.9km的軌道上運行。
大多數人造衛星也在近地軌道上,它們的運行速度大約是27400km/h,環繞地球一周的時間大約在90分鐘左右,可是很多通訊衛星需要地球同步軌道,以和地球同樣的角速度運行。由於把一枚衛星放上近地軌道所需的能量較少,而近地衛星僅需功率較低的放大器也可成功輸送訊號,因此許多通訊項目使用了近地軌道。這些近地軌道不是與地球同步,所以需要一組衛星聯網去提供連續的復蓋面。近地軌道也適合遙感衛星,因為可以取得更詳細的資料。
雖然近地軌道上的地球引力不會比地面大幅減少,在近地軌道上的人和物體仍然會因為自由落體的影響而感受失重狀態。

太空垃圾


近地軌道航天器與太空垃圾示意圖
近地軌道航天器與太空垃圾示意圖
地球軌道的太空垃圾超過10萬件,但是,所有這些在我們上方數百英里處以每小時17500英里的速度飛行
的太空垃圾對地球上的人不會有太大影響,因為地球的大氣扮演著壁櫥門的角色,可以有效地防止太空垃圾四處散落,砸到我們的頭上。但月球表面並沒有這層大氣保護屏障,所以,美國宇航局現在採取措施,防止繞月軌道堆積類似的殘片。
美國宇航局的新機器人探月計劃和宇航員返月計劃要求我們必須處理月球軌道上的這些潛在殘片。美國宇航局的有關減少太空碎片的新程序要求確定月球軌道上的廢物處理問題,並分派任務確保任務結束行動不會對未來的探月計劃造成危害,或者對未來月球表面的操作造成危害。”這是因為月球軌道的每件太空垃圾都有可能衝出軌道,以每小時5000英里的速度砸向月球表面。對發射升空的宇航員非常不利,而且對阿波羅歷史性著陸點也有潛在危險。
近地軌道上較大的太空垃圾
近地軌道上較大的太空垃圾
1965年,在美國宇航員第一次太空行走期間,“雙子星4”號飛船宇航員埃德華·懷特丟失一副手套。在
隨後一個月中,手套以時速1.75萬英里在太空飛行,成為有史以來最為危險的服裝用品,直至它幾個月後在地球大氣層化為灰燼。
美國宇航局和其他機構逐漸地將部分太空垃圾編成目錄。美國雷達可以跟蹤直徑小到十分之一英寸的物體。
太空垃圾之所以受到如此重視,是因為它們嚴重威脅著宇航員和航天器安全。即便是個頭最小的螺母或螺釘與實施太空行走的宇航員相撞,宇航員會立時斃命。無論太空梭何時出現在軌道,監控網路都會定期檢查已知軌道碎片飛行軌道,以確定是否可能發生近距離接觸。如果另一件物體在距太空梭幾英里處飛行,一旦撞擊的概率超過萬分之一,地面控制中心就會下達命令,讓太空梭遠離這個物體。這種情況很罕見,一兩年發生一次。
太空垃圾和運行航天器之間的破壞性撞擊向來極為罕見,因為現代航天器裝備有防護屏,能夠使直徑達到半英寸的物體撞擊方向發生偏轉。