轉移軌道

轉移軌道又稱過渡軌道，是指航天器從初始軌道或停泊軌道過渡到工作軌道的中間軌道。航天器在火箭發動機的推力作用下實現軌道變換，簡稱變軌。從地球發射航天器，當運載火箭無法直接將航天器送入預定軌道時，這就需要藉助於轉移軌道，將航天器送入預定軌道。行星探測器、月球探測器、離地球較遠的人造地球衞星，都要經過轉移軌道才能到達預定目標軌道。 ^[1] 

軌道之間的轉移有多種形式，按變軌次數分為一次、兩次、多次和連續小推力變軌。在初始軌道和目標軌道相交時，才能用一次變軌完成轉移。轉移軌道按形狀分為橢圓形、拋物線形和雙曲線形的過渡軌道；按初始軌道和目標軌道形狀分為圓軌道之間、橢圓軌道之間、圓軌道與橢圓軌道相互間的過渡；按初始軌道和目標軌道相對位置分為共平面和不共平面；橢圓軌道間的轉移有共軸和不共軸轉移。按能源效率和轉移速度可分為霍曼轉移軌道、雙橢圓轉移軌道和地球同步轉移軌道。在兩個圓軌道之間，與兩個圓軌道都相切的橢圓過渡軌道就是著名的霍曼轉移軌道。 ^[1] 

為了節省運行時間，過渡軌道可選用雙曲線或拋物線軌道，消耗能量並不太多。從一條軌道變換到另一條軌道可以有多條過渡軌道，尋求能量最省的過渡軌道是一個理論問題。 ^[1] 

最著名的轉移軌道是霍曼轉移軌道，它是兩條同心共面圓軌道之間的一條橢圓軌道，既與內圓外切又與外圓內切。為了使航天器在這兩條軌道之間進行轉移，只需在這條橢圓軌道與兩條圓軌道的兩個切點上施加兩個切向速度脈衝增量（同為加速或同為減速）便可實現。在限定只用二次脈衝推力的情況下，這是能量最省的轉移軌道，但飛行時間和飛行路線較長。 ^[1] 

圖1為將太空船從低軌道①送往較高軌道③的霍曼轉移軌道。太空船在原先軌道①上某點瞬間加速ΔV後，進入一個橢圓形的轉移軌道②。太空船由此橢圓軌道的近拱點開始，抵達遠拱點後再瞬間加速ΔV'，進入另一個圓軌道③，此即為目標軌道。要注意的是，三個軌道的軌道半長軸是越來越大，因此兩次引擎推進皆是加速，總能量增加而進入較高（半長軸較大）的軌道。 ^[2] 

反過來，霍曼轉移軌道亦可將太空船送往較低的軌道，不過是兩次減速而非加速。加速和減速都在霍曼軌道與兩個圓軌道的切點進行，加速（或減速）方向均在軌道切向，兩次加速（或減速）相隔的時間等於霍曼軌道週期的一半。 ^[1] 

霍曼轉移軌道的兩次加速假設是瞬間完成，但實際上加速要花時間，因此需要額外的燃料來補償。使用高推力引擎所需額外燃料較小，低推力引擎則還要以控制推進時間、逐漸提高軌道來逼近霍曼轉移軌道。因此實際上ΔV會比假設情況更大且花更多時間。 ^[1] 

雙橢圓轉移軌道最初由Ary Abramovich Sternfelde於1934年發表提出。 ^[3] 

雙橢圓轉移軌道包括兩個半橢圓轉移軌道，如圖2所示，將太空船從低軌道①送往較高軌道③。太空船首先在初始軌道①某點（第一轉移軌道的近拱點）瞬間加速ΔV1進入第一個半橢圓轉移軌道，到達該橢圓軌道的遠拱點②，然後在該點再次加速ΔV2，進入第二個半橢圓轉移軌道，到達與軌道③相切的近拱點時，太空船減速ΔV3，由橢圓軌道變軌成圓軌道，即目標軌道③。 ^[1] 

和霍曼轉移軌道二次變軌相比，雙橢圓轉移軌道比之多一次發動機燃燒過程，需三次變軌，因而需要更長的軌道轉移時間；但當兩個圓軌道半徑之比大於11.938765時，用三衝量的雙橢圓轉移軌道代替霍曼軌道更能節省能量。 ^[4] 

地球同步轉移軌道(geostationary transfer orbit，GTO)是霍曼轉移軌道的運用之一，為橢圓形軌道，經加速後可達地球靜止軌道(GEO)，是指近地點在1000公里以下、遠地點為地球同步軌道高度（約36000公里）的橢圓軌道。一般而言，地球同步轉移軌道的近地點並無特別限制，但通常距地球表面數百公里，以降低轉移速度ΔV(方向及速度改變量)的需求。 ^[1] 

同步衞星的運作軌道為地球靜止軌道，由地球同步轉移軌道至地球靜止軌道轉換工作多由衞星自身動力進行，衞星在地球同步轉移軌道的遠地點附近變軌時，需要增加速度及改變速度的方向。在火箭性能方面，常以地球同步轉移軌道酬載能力作為指標，該酬載能力較直接運送至地球靜止軌道的數值為大。以德爾塔IV型重型火箭為例，其GTO運載能力為12,757公斤，而GEO運載能力僅為6,276公斤。 ^[1] 

在兩條不同軌道之間的過渡軌道並不是唯一的，過渡軌道最佳化理論就是要尋找在某種條件下消耗能量最省的過渡軌道。在航天工程中，過渡軌道的選擇要綜合考慮能量消耗、飛行時間、制導精度、測量和控制條件等因素。 ^[1]