$p = a(1-e^2)$(半正焦弦),$e$(离心率)
圆轨道速度:$v_c = \sqrt{GM/r}$
逃逸速度:$v_e = \sqrt{2}\ v_c$
周期:$T = 2\pi\sqrt{a^3/GM}$
从零速度开始增加速度,连续过渡为抛物弹道 → 圆轨道 → 椭圆 → 双曲线逃逸的教育模拟器。在一个屏幕上体验Newton's Cannonball的思想实验。实际天体请使用"开普勒轨道",单独计算逃逸速度请使用"逃逸速度"工具。
$p = a(1-e^2)$(半正焦弦),$e$(离心率)
圆轨道速度:$v_c = \sqrt{GM/r}$
逃逸速度:$v_e = \sqrt{2}\ v_c$
周期:$T = 2\pi\sqrt{a^3/GM}$
人造卫星·空间站的轨道设计:维持地球周回轨道需要与高度相应的圆轨道速度(高度400km时约7.7km/s)。轨道投入时的速度误差会产生离心率,需要定期进行轨道修正(轨道调整)。
行星际探测任务:要把探测器送到其他行星,需要达到地球的逃逸速度(约11.2km/s)或更高,然后把它放到以太阳为焦点的椭圆轨道(转移轨道)上。火星探测器"毅力号"的发射也是这个原理。
弹道导弹·火箭的飞行计算:大气层内短时间飞行的弹道计算,接近于本模拟器中调整"发射角度"的投射运动。不计空气阻力时,45度发射角能得到最大射程。
天体观测与彗星轨道预测:从彗星和小行星的观测数据推断其轨道(离心率、长半轴),预测未来位置。像哈雷彗星这样离心率超过0.9的非常细长的椭圆轨道的天体也很多。
刚开始用这个模拟器时,容易陷入几个误区。首先要明确,完全忽略了空气阻力。实际的火箭发射或炮弹飞行中,空气阻力对轨道和速度有巨大影响。比如,在大气层内要达到圆轨道速度的7.7km/s,会遭受猛烈的空气热和阻力,机体会崩溃。这个模拟器是在"真空·单点重力源"的理想化模型基础上的理解。
其次,"初速度"的含义因中心天体的距离而改变。高度400km时的圆轨道速度和地表的圆轨道速度完全不同。如果只改v₀而不改"发射高度",会与实际的宇宙飞行设计感觉偏差。例如,国际空间站(ISS)在高度约400km处,v_c≒7.7km/s;而静止轨道在高度约36000km处,v_c≒3.1km/s,速度大幅降低。要记住,速度的绝对值比不上与该位置的$v_c$或$v_e$的关系那么重要。
第三个陷阱是,误以为"轨道投入是一次加速完成"。现实的卫星发射中,火箭引擎长时间燃烧,不断增加速度,同时克服重力损失和阻力损失。模拟器的"瞬间给予v₀"操作,应该理解为已经达到最终轨道速度之后的简化显示。
假设在地球半径6371km、高度100km处发射。初速度v0=7900m/s、发射角度0度、质量1000kg时:离心率e≈0.0(圆轨道)、周期T≈90分钟、远地点高度约100km、近地点高度约100km。当初速度增加到11200m/s时,离心率e≈0.4(椭圆轨道)过渡,周期T≈180分钟、远地点高度2900km、近地点高度100km。进一步增加到16700m/s时,离心率e=1.0(抛物线)达到脱出轨道