转自航空航天港社区-航天技术版14年的一个贴子

专题——关于“超同步转移轨道”

所谓“超同步转移轨道”，通常指远地点高于35786km的转移轨道。在经常进行GTO发射的国家中，我国和美国常采用这种类型的轨道，大家可能已经很熟悉了。（欧空局和俄罗斯为什么不用？笔者把答案留给读者补充。）

采用“超同步转移轨道”的前提，是运载（运载火箭和上面级）有能力将卫星送到高于35786km的远地点。我们不妨管这个叫做运载能力有“剩余”。

消耗这种“剩余”有多种方法，比如可以偏航降低GTO的倾角，如果上面级能够长时间滑行，还可以滑行到GTO远地点，直接代替卫星完成部分（甚至全部）GTO到GSO的变轨工作。上述两种方法都可以起到节省卫星变轨速度增量的效果，而且原理很直观。

超同步转移轨道的原理则略微复杂一些，关键点是利用更高的远地点，降低远地点速度，减少卫星远地点变轨时，改变倾角，也就是改变速度方向的难度。

-----------上面是一些基本介绍，下面进入正题------------

本文的主题是比较“超同步转移轨道”和“只降低GTO倾角”以及“上面级滑行至远地点代替卫星变轨”三种消耗运载火箭“剩余”能力的方法，比较的对象是这三种方法对于节省卫星推进剂的效率。一张图说明问题：

本文以代表我国西昌和美国卡角发射情况的200km x 28.5°停泊轨道至35786km x 0°GEO轨道的完整变轨过程为研究对象。

图中横坐标，是运载（包括火箭和上面级）的剩余速度增量。也就是运载从200km x 28.5°的停泊轨道开始，将卫星送入200 x 35786km x 28.5°的“基准”GTO后，还能再携带卫星加速多少。

图中纵坐标是运载剩余速度增量的“利用效率”，也就是运载多付出1m/s的速度增量，能替卫星后续的变轨过程节省多少m/s的速度增量。卫星节省了多少变轨速度增量的对照基准，也是从200 x 35786km x 28.5°的“基准”GTO向GEO变轨的消耗，即1836.5m/s。（为简单起见，本文采用的变轨速度增量计算均假设瞬时脉冲变轨。）

图中有两条数据线，其中蓝线代表远地点固定在35786km的“标准”同步转移轨道。在这种情况下，如果运载火箭有剩余能力，从200km x 28.5°停泊轨道向GTO变轨时，采取一定程度的偏航，把剩余能力全部用来降低GTO的轨道倾角，同时保持GTO的远地点高度为35786km。这条线上每个数据点的标注即为对应GTO的倾角。

从这条线我们可以看出，这种方法在运载剩余速度增量较小（<93m/s）时，效率很高（>1），是应该优先采用的方法。但是随着运载剩余速度增量的增加，该方法效率逐渐降低。

另一方面，“上面级滑行至远地点代替卫星变轨”这种方法中，代替卫星远地点变轨部分的效率显然恒等于1。将两种方法结合，可以得到以下结论。

如果运载剩余速度增量<93m/s，则保正35786km的GTO远地点的同时尽量减小倾角。

如果运载剩余速度增量>93m/s，运载首先变轨至200 x 35786km x 24.13°，再滑行至远地点，替卫星完成部分（或全部）到GEO的变轨工作。

上述方法效率最高，肯定>1。

但是如果运载没有能够长时间滑行的上面级，无法使用上述方法中剩余速度增量>93m/s的部分，怎么办？我们来看看第二条红色的数据线。这条数据线对应远地点超过35786km的超同步转移轨道，而且还是“最优”的。这里的“最优”是什么意思呢？从蓝色数据线已经可以看出来，小幅度降低轨道倾角的效率非常高，所以超同步转移轨道不仅要提高远地点，还要同时降低轨道倾角。那么在提高远地点和降低倾角之间，必然存在一种“最优”的分配，使总的效率最高，这就是这条红色数据线的来历。从这条数据线的标记上可以看出，它代表远地点从40000km到43000km，倾角从26.55°到26.41°之间的一系列GTO，对应的剩余速度增量大致在80~125m/s的范围。

在运载剩余速度增量105m/s左右，红色和蓝色的数据线有一个交点。因此可以得出以下结论：

如果运载没有长时间滑行能力，那么首先考虑用全部剩余能力降低轨道倾角。如果运载剩余速度增量大于105m/s，对应23.85°的GTO倾角，则改用下面的方法。

运载剩余速度增量大于105m/s时，采用“最优”超同步转移轨道。

我们不妨将运载剩余速度增量等于105m/s时对应的200 x 41600km x 26.46°的轨道称为“最低超同步转移轨道”。基于上述分析可以预言，任何远地点低于41600的超同步转移轨道都是不会存在的，因为还不如简单地降低标准GTO倾角。

真实情况是否如此呢？考察我国历史上所有超同步转移轨道发射，剩余速度增量最少的是中星10和中星11的初始轨道，为200 x 42000km x 26.5°左右。非常接近上述“最低超同步转移轨道”。同时，也不存在远地点低于41600或倾角大于26.5°的GTO。历史数据与上述分析符合。

最后，一个小问题，本文中出现了大于1的运载速度增量利用效率，有没有读者觉得这违反直觉？笔者把这个问题的答案也留给读者补充吧。