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轨道速度计算器
这个轨道速度计算器是一个高级工具,您可以使用它来查找行星在椭圆轨道(或圆形轨道)中运动的参数。您想了解地球的轨道速度是多少,或者木星的轨道周期吗?使用我们的轨道速度计算器,您可以快速估算以下参数:
您肯定知道行星围绕恒星运行,但您是否想过什么是椭圆轨道?顾名思义,行星不是在圆形中运动,而是在椭圆中运动。使用我们的椭圆计算器来了解什么是椭圆以及如何估算椭圆的所有参数。
通过我们的椭圆轨道定义,您将能够找到地球的椭圆轨道是什么,包括其远拱点和近拱点距离以及地球在这些点的轨道速度。远拱点和近拱点分别是地球距离太阳最远和最近的点(在许多计算中,我们通常只使用地球的平均轨道半径)。在这种特定情况下,我们可以称它们为远日点和近日点,因为地球围绕太阳运行。
什么是椭圆轨道?- 椭圆轨道定义
椭圆轨道(或椭圆形轨道)是偏心率在1和0之间的开普勒轨道(当偏心率等于0时,轨道是圆形的)。轨道偏心率是表征轨道形状的参数。其值越高,椭圆变得越扁平。它与其他两个重要参数相关:半长轴和半短轴,具有以下偏心率公式:
了解上述参数,我们可以确定卫星(行星)到恒星的最近可能距离 - 近拱点,以及最远可能距离 - 远拱点。
现在您已经了解了什么是椭圆轨道,我们可以用以下椭圆轨道定义来估算在近拱点和远拱点到恒星的距离:
• e - 偏心率
• a - 半长轴
• b - 半短轴
我们需要做的唯一事情就是解决上述轨道方程组。当然,您可以使用我们的轨道速度计算器来完成!例如,您可以分析地球的椭圆轨道。地球轨道的半长轴是 a = 1 au(1 au是一个天文单位,是地球和太阳之间的平均距离),地球轨道的半短轴是 b ≈ 0.99986 au。因此偏心率 e = 0.0167,远日点(远拱点)距离 ra = 1.0167 au,近日点(近拱点)距离 rp = 0.9833 au。
活力方程和轨道速度方程(远拱点和近拱点)
在天体物理学中,活力方程允许我们模拟轨道卫星的运动。它提供了卫星在椭圆轨道给定点的轨道速度,以及卫星在近拱点和远拱点的轨道速度。活力方程如下:
标准重力参数 μ 在SI单位中表示为 m³/s²,但在科学文献和航天器导航中,我们通常使用 km³/s² 的单位。
参数说明:
• v - 相对卫星速度(相对于恒星速度)
• μ - 标准重力参数 μ = G(M + m)
• r - 恒星和卫星之间的距离
• G - 重力常数 G = 6.674 × 10⁻¹¹ N·m²/kg²
• M - 恒星质量
• m - 卫星质量
使用上述轨道速度公式,您还可以估算卫星在远拱点(r = ra)和近拱点(r = rp)的卫星速度。使用轨道速度计算器,您可以计算出地球在近拱点的轨道速度是 vp = 30.29 km/s,在远拱点是 va = 29.295 km/s。
开普勒定律、行星轨道周期和行星轨道能量
从前面的章节中,您已经学会了如何使用轨道方程来估算,例如地球的轨道半径。但是您如何计算其他行星的轨道周期呢?答案来自开普勒行星运动定律:
开普勒三大定律:
1. 开普勒第一定律 - 轨道定律:太阳系的每个行星都在椭圆轨道上围绕太阳运动。重要的是要记住,太阳不在中心,而是在椭圆轨道的两个焦点之一。
2. 开普勒第二定律 - 面积定律:在相等的时间间隔内,行星和太阳之间的线段扫过相等的面积(面积速度是恒定的)。
3. 开普勒第三定律 - 周期定律:您可以通过比较向心力和重力来获得开普勒第三定律的简化形式。相应的完整公式表明卫星的轨道周期 T 由以下公式给出:
我们鼓励您尝试我们的轨道速度计算器并计算地球的轨道周期(a = 1 au)。您会看到它正好等于一年。您也可以使用我们的计算器来计算行星的轨道能量 E。在标准假设下,行星的总轨道能量是负的,并且与椭圆的偏心率无关。
实际应用
我们的轨道速度计算器使用了几个天体物理关系。例如,要描述地球椭圆轨道的几何特性,您只需要知道半长轴和半短轴或地球轨道的偏心率。如果您想找到更多细节,如火星的恒星周期或其卫星速度,您还应该输入恒星(例如太阳)和卫星(例如火星、月球)的质量。我们可以用开普勒定律和轨道速度方程来计算它。
计算器功能: 最后,使用所谓的活力方程,您可以找出,例如,地球的轨道速度是多少。在这个轨道速度计算器的末尾,您可以找到行星数据表,其中包含太阳系不同行星的轨道参数。
• 行星的轨道半径
• 行星的轨道能量
• 行星的轨道速度
• 行星的轨道周期
轨道能量公式: 您可以使用以下轨道能量公式计算它:E = -μ/(2a)。您应该注意,地球(以及其他行星)的轨道能量很大(约 10³³ J)。如果您想了解自然界中可以找到的其他数量级的能量,请查看我们的能量转换计算器。
行星数据表 - 地球轨道半径
您在寻找海王星的轨道周期吗?或者您对木星的轨道速度感兴趣?如果您想快速估算太阳系中不同行星的轨道特性,您可以使用我们的轨道速度计算器以及下面的行星数据表。
使用上述行星数据表中的信息,您可以计算我们轨道速度计算器提供的每个轨道参数。尝试不同的行星!只要记住行星和太阳之间的距离以天文单位表示(地球的平均轨道半径),质量以地球质量为单位。
轨道速度计算器是研究天体力学的重要工具,它基于牛顿万有引力定律和开普勒行星运动定律。通过输入轨道的几何参数(如半长轴、半短轴)和物理参数(如天体质量),可以准确计算出轨道上任意点的速度、周期和能量。
这个计算器在航天工程、天文学研究和教育领域都有广泛应用。无论是设计卫星轨道、研究行星运动,还是进行天体物理学教学,都能提供准确可靠的计算结果。
通过理解椭圆轨道的基本概念和相关公式,我们可以更好地认识宇宙中天体运动的规律,这对于人类探索太空和理解宇宙具有重要意义。
常见问题
如何计算椭圆轨道的偏心率?
椭圆轨道的偏心率可以通过公式 e = √[1 - (b/a)²] 计算,其中 a 是半长轴,b 是半短轴。偏心率值在0到1之间,0表示完美圆形,接近1表示非常扁的椭圆。
为什么天体在近拱点速度最快?
根据开普勒第二定律(面积定律),天体在相等时间内扫过的面积相等。当天体距离中心天体较近时,为了保持面积速度恒定,它必须移动得更快。这也符合能量守恒定律。
轨道能量为负值意味着什么?
负的轨道能量表示天体处于束缚轨道中,即它被中心天体的引力"捕获"。正能量表示天体有足够的速度逃脱引力场,而零能量是逃逸的临界状态。负能量越大(绝对值),轨道越稳定。
| 参数名 | 参数类型 | 默认值 | 是否必传 | 描述 |
|---|---|---|---|---|
| semiMajorAxis | number | 1.0 | 否 | 椭圆轨道的半长轴长度 |
| semiMinorAxisUnit | string | au | 否 | 半短轴的长度单位 |
| distanceUnit | string | au | 否 | 返回距离参数的单位 |
| starMassUnit | string | Suns | 否 | 恒星质量的单位 |
| semiMinorAxis | number | 0.99986 | 否 | 椭圆轨道的半短轴长度 |
| satelliteMass | number | 1.0 | 否 | 轨道运行天体的质量 |
| velocityUnit | string | km/s | 否 | 返回速度参数的单位 |
| semiMajorAxisUnit | string | au | 否 | 半长轴的长度单位 |
| starMass | number | 1.0 | 否 | 中心恒星的质量 |
| satelliteMassUnit | string | Earths | 否 | 卫星质量的单位 |
| periodUnit | string | yrs | 否 | 返回周期参数的单位 |
| 参数名 | 参数类型 | 默认值 | 描述 |
|---|---|---|---|
| distanceUnit | string | 距离参数使用的单位 | |
| standardGravitationalParameter | number | 恒星和卫星系统的标准重力参数μ,单位为km³/s² | |
| orbitalPeriod | number | 卫星完成一次完整轨道运行所需的时间 | |
| velocityAtApoapsis | number | 卫星在远拱点处的轨道速度 | |
| distanceAtApoapsis | number | 卫星距离恒星最远点的距离 | |
| totalEnergy | number | 卫星在轨道中的总机械能量,单位为焦耳(J) | |
| distanceAtPeriapsis | number | 卫星距离恒星最近点的距离 | |
| eccentricity | number | 轨道椭圆的偏心率,表示轨道形状的扁平程度 | |
| velocityAtPeriapsis | number | 卫星在近拱点处的轨道速度 | |
| velocityUnit | string | 速度参数使用的单位 | |
| periodUnit | string | 周期参数使用的单位 |
| 错误码 | 错误信息 | 描述 |
|---|---|---|
| FP00000 | 成功 | |
| FP03333 | 失败 |
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