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目标公式:

v=GMr,T=2πrv,rgeo=GMT24π23

适用范围/假设: 圆轨道r=konst.);卫星质量远小于中心天体(mM,中心天体视为静止);忽略空气阻力与其他天体的摄动;r地心算起(= 地球半径 + 飞行高度)。

真题相关: 地球同步卫星(geostationärer Satellit)的轨道半径推导是已证实的真题。

用到的公式

公式名称Formelnheft
FZ=mv2r=mω2rZentripetalkraft(向心力)✅ S. 2 („Zentripetalkraft")
F=Gm1m2r2Gravitationsgesetz(万有引力定律)✅ S. 2 („Gravitationsgesetz")
v=ωrBahngeschwindigkeit(轨道速度)✅ S. 2 („Bahngeschwindigkeit")
ω=ΔφΔt=2πfWinkelgeschwindigkeit(角速度)✅ S. 2 („Winkelgeschwindigkeit")
f=1TFrequenz/Schwingungsdauer(频率与周期)✅ S. 2 („Frequenz/Schwingungsdauer";与同页 ω=2πf 配合使用)
v¯=ΔsΔtDurchschnittsgeschwindigkeit——用于 T=2πr/v✅ S. 2 („Durchschnittsgeschwindigkeit")
v=GM/rrgeo=GMT2/4π23轨道速度 / 同步轨道半径❌ 不在 Formelnheft——考场需由 FZ=FG 现场推(见下)

推导(Schritt für Schritt)

A)圆轨道速度 v=GM/r

  1. 物理出发点。 卫星沿圆轨道运行需要向心力H04),而这里唯一向内拉的力是引力——引力担当向心力的角色:FZ=FG
  2. 代入两个公式(均为 Formelnheft S. 2):左边 FZ=mv2r,右边 FG=GMmr2mv2r=GMmr2
  3. 约掉卫星质量 m(两边同除以 m,允许因为 m>0):v2r=GMr2关键一步:轨道速度与卫星质量无关——同一轨道上羽毛与卡车同速(艾森豪威尔之问:由轨道数据算不出卫星质量)。
  4. 两边同乘 r(右边约掉一个 rrr2=1r):v2=GMr
  5. 开平方(取正根,速度大小 0):v=GMr「越高越慢」r 在分母 ⇒ r 越大 v 越小。

B)周期 T=2πr/v

  1. 匀速圆周运动中速率恒定,可用 v¯=Δs/Δtv¯=v
  2. 取一整圈:$\Delta s = $ 轨道周长 U=2πr(圆周长公式),Δt=Tv=2πrTT=2πrv

C)算例:ISS(独立验算)

RE=6,371106 m(S. 1),高度 h=400 km ⇒ r6,77106 m;ME=5,9741024 kg、G=6,6731011 N·m²/kg²(均 S. 1):

v=6,67310115,97410246,77106=5,891077670 m/s7,7 km/sT=2π6,7710676705540 s92 min

(与讲义一致。贴地轨道 r=REv7,9 km/s——第一宇宙速度。)

D)★ 地球同步卫星 rgeo=GMT2/4π23

思路: 这里给定的不是 v 而是周期 T(一个恒星日——卫星须与地球自转同步)。所以把 vT 表出,再解出 r

  1. 出发点同 A 第 4 步(引力担当向心力的结果):v2=GMr
  2. v 换成角速度v=ωr,S. 2;即 v2=ω2r2):ω2r2=GMr
  3. 两边同乘 r(右边的 r 消去,左边幂次合并为 r3):ω2r3=GM
  4. ωT 表示。 一整圈 = 在时间 T 内转过 2πω=2πT(由 ω=2πff=1/T,均在册)。平方后代入:4π2T2r3=GM
  5. 解出 r3(两边同乘 T24π2):r3=GMT24π2
  6. 开立方rgeo=GMT24π23
  7. 算例(独立验算)。 T=243600=86400 s(整 24 h 近似;精确恒星日 86164 s 只改变结果约 80 km):r=6,67310115,97410248640024π23=7,54102234,22107 m42200 km距地面 h=rRE42200637135800 km ✓。顺带 v=2πr/T3,1 km/s——远慢于 ISS 的 7,7 km/s,再次印证「越高越慢」考试陷阱:T 一定要换算成 另两个条件:轨道在赤道上空(轨道平面必须过地心)、与自转同向

变量表

符号含义SI 单位
v轨道速度m/s
rrgeo轨道半径(从地心算起);同步轨道半径m
m卫星质量(推导中约掉)kg
MME中心天体质量;地球质量 =5,9741024 kg(Formelnheft S. 1)kg
G引力常数 =6,6731011 N·m²/kg²(S. 1;讲义部分算例用 6,674N·m²/kg²
RE地球半径 =6,371106 m(S. 1)m
FZFG向心力;引力N
T周期(同步卫星:1 恒星日 86164 s,常以 86400 s 近似)s
ω角速度 =2π/Trad/s
f频率 =1/THz
U轨道周长 =2πrm
h距地面高度 =rREm

关联