为什么长征五号把实践 20 号打到了 190km*68000km 这么高的轨道？ 第1页

这个说来话长了。。。

首先地球同步轨道是在赤道正上方倾角为0度的轨道，基本上科普的号都会用这一张图来描述怎么把卫星送入地球同步轨道。

火箭把卫星送到转移轨道，然后在变轨点2卫星或者火箭上面级第二次点火送到同步轨道。这个第二次点火可以是卫星自己的引擎或者是火箭的上面级。

问题是上面这张图是2D的，实际上的轨道是三维（其实是四维）的，进入同步轨道还要消除另一个很麻烦的东西，那便是倾角（inclination）。

简而言之便是轨道面和赤道面的夹角。之前说过的同步轨道倾角是0，便是因为正好在赤道上方所以夹角是0。当然实际上由于月球引力等因素影响，同步轨道卫星会偶尔移动产生细微夹角，但那是另一个话题了。

所以说卫星进入同步轨道的变轨点2，不仅要拉高近地点，还要消除倾角。由于改变轨道倾角的燃料消耗要比拉高近地点还要多，要想提高载荷的最好方法当然是让转移轨道时的倾角越小越好。但轨道倾角是发射场地理纬度决定的，纬度越高倾角越大。

文昌发射场的纬度是北纬19.36度，所以这里发射去同步轨道的卫星就要消除19.36度的倾角。

圭亚那航天中心的纬度是北纬5.17度，所以这里发射去同步轨道的卫星只需要消除5.17度的倾角即可，能大幅度节省燃料。

最早发现倾角问题的，是苏联。

由于地理位置的劣势，苏联所有的发射场都比美国的纬度要高很多，直接导致苏联发射同步轨道卫星如果按照常规的转移轨道，会浪费很多燃料。苏联为此研发了另一种节省燃料的运送方式，超同步轨道（SSTO）。

一般的发射顺序是转移轨道---变轨点2---拉高近地点/消除倾角。

SSTO的发射顺序是转移轨道---拉高远地点高于同步轨道---远地点消除大部分倾角---拉高近地点到同步轨道---降低远地点---进入同步轨道消除剩余倾角。

看上去感觉复杂了许多实际上由于调整近地点远地点的燃料消耗远低于节省下来的改变轨道倾角的消耗，从高纬度发射SSTO是能节省燃料的。简而言之就像推门离门轴越远越容易推开一样，更高的远地点就相当于更长的“力矩”，同样扭力情况下力矩越大用力越小。SSTO的目的是在比同步轨道更高的远地点来消除倾角，这样比在同步轨道消除能节省燃料。

不只是苏联，猎鹰9发射的SES-8，Thaicom6等同步轨道卫星也采用了SSTO的轨道来消除卡角自带的28.56度倾角，SES-8的更夸张是295km*80000km的超同步轨道。

那么为啥长征5号Y3会选择SSTO呢？这是因为这个：

还记得前面说的变轨点2的点火嘛，可以是卫星自己的引擎或者是火箭自带上面级的。而上面级要跟着卫星到变轨点2，意味着要在滑行约6个小时后依然能再次点火。中国在多次启动的低温引擎和低温燃料储存技术上尚不成熟，不能像欧美日那样让火箭第二级兼职上面级，因此要想让卫星自己剩燃料，就只能再挂上采用常温燃料的的远征上面级，完成变轨点2消除倾角的工作。

事实上长征5号Y1的时候，多亏远征2号的存在挽救火箭自身的问题，让实践17卫星能不降低寿命成功入轨。由于本次Y3发射压力很大，像Y-1那样加上一个远征2号风险太大，因而卫星不能借助火箭来消除发射倾角。为尽可能减少实践20号入轨消倾角所需的燃料，同时也为了尽可能测量长征5号第一级和第二级火箭的性能，才选用了远地点68000km的超同步轨道。

没想到有那么多的回复，这篇文章是我更新在公众号上的，微信公众号：国际航天动态。

第一次用知乎回答，当时复制过来格式不太会调，照片也都没了。我抽空再改一改。

抱歉好多天没上知乎了，没有一一回答评论区得问题，感谢一些热心读者得答复

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12月27日20时45分，在中国文昌航天发射场震天动地的轰鸣中，我国运载能力最大的火箭——长征五号，托举我国最重卫星，同时也是东方红五号卫星公用平台首飞试验星——实践二十号飞向太空，卫星随后进入预定轨道。长征系列运载火箭圆满完成第323次飞行，中国航天以一出“重头戏”完美收官2019年宇航任务。
据长五火箭总设计师李东介绍，作为我国新一代运载火箭的“大力士”，长五火箭总长约57米，堪比20层楼高；火箭起飞质量约870吨，起飞推力约1078吨，具备将25吨级的航天器发射到近地轨道、将14吨级的航天器发射到地球同步转移轨道的能力。国际同行认为，“长征五号火箭的技术指标使它与美国德尔塔4重型火箭并驾齐驱。”
此次发射的实践二十号卫星是地球同步轨道新技术验证卫星，约8吨重，将验证东方红五号新一代大型卫星平台关键技术，并实施多项新技术验证工作，随后开展地球同步轨道通信广播业务。东方红五号卫星平台，具有高承载、大功率、高散热、长寿命、可扩展、多适应等特点，可满足未来近20年的通信、微波遥感和光学遥感等载荷对卫星平台的需求。
据悉，实践二十的初始入轨参数为近地点200km，远地点68000km，轨道倾角19.543°的转移轨道。
我们知道，发射地球同步静止轨道的卫星，应当尽量选择纬度低的区域，从节省燃料和增大运载能力的角度出发，发射场的纬度通常决定了卫星的入轨倾角。因此，在文昌发射场之前，我国一般在西昌卫星发射中心发射地球同步轨道的卫星，西昌的纬度小于酒泉纬度；这使得法属圭亚那成为极佳的GEO卫星发射场，阿里安5火箭在发射GEO商业通信卫星上非常成功。文昌发射场的纬度为北纬19度36分，因此SJ-20的入轨倾角为19.543°很容易理解。GEO转移轨道即GTO轨道的参数为近地点200km左右，远地点为36000km左右。而SJ-20选择了一条远地点在68000 km的GTO轨道，我们一般称这种轨道为“超GTO”轨道。
那么超GTO和GTO轨道有何特点呢？为何SJ-20选择超GTO轨道呢？
首先，可以充分测试“胖五”火箭的运载能力上限。长五可将14吨级的航天器发射至GTO轨道，而SJ-20只有8吨多，因此长五具备将SJ-20送入更高的轨道的能力。也许68000km并不是长征五号火箭的运载能力上限，但通过将SJ-20送入远地点68000km的轨道高度，可以根据一些分析估算长征五号GTO的运载能力是否满足设计指标。SJ-20与火箭分离后，要靠自身的化学发动机经过一系列的变轨机动转移到GEO轨道，最终定点在GEO轨道上。选择超GTO轨道是不是会带来燃料消耗的节省呢？小编将进行一个简单的估算。改变轨道倾角的位置为轨道的升降交点处，即轨道平面与赤道面的交点；i为要改变的轨道倾角大小，则改变轨道倾角需要的脉冲与速度大小有关。在远地点处卫星的速度最小，因此通过合理设计，使卫星的远地点和降/升交点重合，改变轨道倾角所需的脉冲最小。即远地点卫星速度越小，改变倾角所需要的脉冲越小。改变完轨道倾角之后，接下来要圆化轨道了，对于普通的GTO轨道，只需要在远地点施加一次速度增量，即可圆化轨道。
如果采用GTO轨道（200*36000km的轨道），改变倾角的脉冲大小约540m/s，圆化轨道的脉冲大小约 1485 m/s，两次脉冲合计 2025 m/s。
如果采用超GTO轨道（200*68000km的轨道），改变倾角的脉冲大小约317m/s。在圆化轨道方面，超GTO轨道需要两次变轨。
需要施加两次脉冲：第一次将近地点高度由200km抬高到36000km；第二次在轨道高度为36000km处减速，使远地点高度由68000km降低到36000km。 第一次脉冲大小为：1039.2 m/s；第二次脉冲大小为394.8 m/s。所以超GTO轨道三次变轨总脉冲约1751 m/s，比GTO轨道变轨省了约13.5%的燃料。
以上分析均为估算，实际变轨过程中，发动机为有限推力，不能采用脉冲假设，因此实际变轨消耗燃料会有些差异。