第2章
航天器的轨道高度

前面已经介绍过，若飞行器能进入高于地球表面100千米的航天空间飞行，即属于航天器。100千米的分界线，既有科学因素——在高于地球表面100千米的航天空间，仅凭空气动力不足以维持飞行器的飞行高度，又有人为因素——开会商定，得到各国认可。

不同类型的航天器，根据用途会设计为不同的飞行高度。先来讨论最常见的航天器——人造卫星的轨道高度。

虽然飞行高度超过100千米的飞行器即被称为航天器，但实际飞行在100～200千米的人造卫星较少。原因是在高于地球表面100～200千米的范围内，虽然大气中的空气明显比地表稀薄，但相比高度在200千米以上大气层中的空气，还是要稠密得多。

高度在100～200千米的大气层具有两个“力学特点”：能够提供的升力很微弱；产生的阻力很明显。如果想让人造卫星在200千米以下的航天空间长期飞行，则必须准备更多的燃料或压缩气体，以便经常给人造卫星加速，克服空气阻力对人造卫星造成的减速影响。由于大气层没有明确的边界，高度超过200千米的大气层的空气阻力并不随着高度的增加而直线下降，因此，飞行在几百千米高度的人造卫星，常常需要开启自带的发动机，喷出气体，利用反推力加速，以保持飞行在设计的轨道高度上。

一般情况下，我们把高度在2000千米以下的轨道称为低轨道。低轨道卫星大多飞行在300～800千米的高度范围，适合执行对地勘察、测绘等任务。载人飞船（如神舟）、空间站（如天宫）及货运飞船（如天舟），也属于低轨道航天器。神舟已经发射多次，每次发射到达的最高点均超过地球表面300千米，与天宫对接时的轨道高度也都超过300千米（截至2021年3月）。例如，2016年，神舟十一号和天宫二号对接时的轨道高度已接近400千米（实际轨道高度为393千米）。我国正在建设有航天员常驻的空间站，设计轨道高度为400～450千米。

高度在2000～20000千米的卫星轨道，称为中轨道，高度在20000千米以上的卫星轨道，称为高轨道。当然，这只是习惯上的归类，并不严格（也存在其他归类方法）。

北斗三号“星座家族”由三种不同轨道的卫星组成（共30颗）：24颗MEO卫星（中圆地球轨道卫星）、3颗IGSO卫星（倾斜地球同步轨道卫星）和3颗GEO卫星（地球静止轨道卫星）。其中，24颗MEO卫星属于中轨道地球卫星（轨道高度约为21500千米），构成北斗三号的基础星座，可为全球提供定位导航服务；3颗IGSO卫星和3颗GEO卫星属于高轨道卫星，轨道高度约为36000千米，绕地球一圈正好需要24小时。

通过嫦娥探测器“拜访”月球，实现了行星（地球）与天然卫星（月球）之间的星际航天。嫦娥探测器是从环地球轨道进入地月转移轨道后，再进入环月轨道的：在环地球轨道上，嫦娥探测器是地球的一颗人造卫星；在地月转移轨道上，嫦娥探测器是运行在地月系统中的天体（这时嫦娥探测器仍是地球的卫星，只是轨道的形状为长椭圆形）；在环月轨道上，嫦娥探测器是月球的卫星。

月球距离地球多远呢？地月距离约为384400千米，也可以粗略地说成38万千米。在环月轨道上（从地球上看），嫦娥探测器的轨道高度约为38万千米。

说完嫦娥探测器，就该讨论中国航天目前飞行最远的“游子”——天问火星探测器了。既然是“拜访”火星，火星的高度差不多就是天问火星探测器到达的最高高度。

下面试着按照比例绘制出神舟、嫦娥探测器、天问火星探测器的轨道高度。

用1毫米表示200千米。地球半径约为6400千米，神舟的轨道高度约为400千米，那就绘制一个直径为64毫米的圆来代表地球，绘制一个高出地球表面2毫米的圆来表示神舟的轨道。由此可以看出，神舟是贴着地球表面飞行的。其他低轨道卫星与其类似。

用1毫米表示1000千米。由于用1毫米表示200千米时，无法在本书的纸面上绘制出月球，因此改用1毫米表示1000千米，将地球绘制成直径约为13毫米的圆。若此时绘制神舟的轨道高度，则只能用0.4毫米表示，分辨起来有些困难，故不再绘制，只在离圆周（地球表面）21.5毫米处绘制MEO卫星的轨道，在离圆周36毫米处绘制GEO卫星和IGSO卫星的轨道。由于月球的直径约为3500千米，地月距离约为384400千米，因此在距离地球圆心约380毫米的位置绘制一个直径为3.5毫米的圆来表示月球。由于嫦娥探测器围绕月球飞行，因此从地球表面看，嫦娥探测器的轨道高度约为38万千米。

用1毫米表示20万千米。火星距离地球最近时，距离约为6000万千米。若用1毫米表示20万千米，则地月系统的尺寸缩小为一个直径为4毫米的圆，火星在离圆心300毫米的地方。