郭奇花

(北京市延慶一中 北京 102100)

天宮一號于2011年9月29日21:16:03發(fā)射成功，標(biāo)志著我國的航天事業(yè)上了一個(gè)新的臺階．

天宮一號的發(fā)射，與前幾次發(fā)射神舟號宇宙飛船類似，先由長征二號FT1火箭運(yùn)載，然后與火箭脫落，經(jīng)兩次變軌進(jìn)入高度約為350 km的近圓軌道進(jìn)行在軌測試.它的最大特點(diǎn)是：神八發(fā)射前，天宮一號降軌至高度約343 km的近圓軌道進(jìn)行“太空之吻”,即等待交會(huì)對接．

交會(huì)對接是兩個(gè)過程，交會(huì)是指兩個(gè)航天器靠近的過程．相當(dāng)于兩個(gè)人的約會(huì)；對接是指它們“相會(huì)”后，通過專門的對接機(jī)構(gòu)將兩個(gè)航天器連接成一個(gè)整體，相當(dāng)于太空之吻．但它們的表現(xiàn)行為不同，一個(gè)是主動(dòng)的，另一個(gè)是被動(dòng)的．被動(dòng)的航天器稱為“目標(biāo)航天器”，如“天宮一號”，它被首先發(fā)射到太空，之后一直處于自己的運(yùn)行軌道，它的任務(wù)是等待另一個(gè)航天器與它“相會(huì)”． 另一個(gè)是主動(dòng)航天器，也稱為“追蹤航天器”，如后續(xù)發(fā)射的“神舟”八號、“神舟”九號飛船．

要使對接順利完成，兩個(gè)航天器的軸線必須在同一條直線上，并且相對速度要接近零．因?yàn)閮蓚€(gè)航天器的實(shí)際飛行速度都非常大．設(shè)其軌道運(yùn)行速度為v,則根據(jù)萬有引力定律可得

GM=gR2

得

v≈7.79×103m/s=28 040 km/h

所以對接難度非常大，兩個(gè)航天器軌道的控制必須相當(dāng)?shù)木珳?zhǔn)，航天器相撞時(shí)的橫向偏差不能超過0.1 m．

為了使兩個(gè)航天器在同一軌道對接，不能像地面上的相遇問題一樣，將二者先發(fā)射到同一個(gè)軌道，然后飛船去追天宮一號，因?yàn)橐坏┘铀?，原來軌道上的萬有引力不變，但所需向心力增大，飛船會(huì)離心而無法與天空一號對接，可有兩種對接方式，即飛船先在低軌道上運(yùn)行，運(yùn)行到適當(dāng)位置，再加速到一個(gè)橢圓軌道，使飛船和天宮一號同時(shí)運(yùn)行到兩軌道的相切點(diǎn)便可對接，如圖1(a)所示；另一種是先使飛船在高軌道上運(yùn)行，然后在適當(dāng)位置減速，使飛船做近心運(yùn)動(dòng)，使二者在軌道相切點(diǎn)對接，如圖1(b)所示．設(shè)無窮遠(yuǎn)處為零勢能，運(yùn)行半徑為r的航天器其勢能、動(dòng)能和機(jī)械能如下

所以

圖1

由此可見，軌道越高，機(jī)械能越大，要發(fā)射上去越困難，所以實(shí)際中都采取前一種方式進(jìn)行對接．對接過程也滿足動(dòng)量守恒，假設(shè)天宮一號和神州八號飛船質(zhì)量分別為M和m,對接前速度為v,對接后速度為v′，則有

Mv+mv=(M+m)v′v=v′

此時(shí)，機(jī)械能也守恒．