張健++王鳴曉++趙大鵬

摘 要：根據(jù)機(jī)械能守恒、角動(dòng)量守恒定量計(jì)算了航天技術(shù)中的宇宙速度和火箭速度，并簡單概述了人造衛(wèi)星和載人航天技術(shù)，證明了物理學(xué)原理在航空技術(shù)中的重要性。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)原理；航天技術(shù)；第一宇宙速度；機(jī)械能守恒定律

中圖分類號：V47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.018

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)初興起的航天技術(shù)逐步使人類走出地球、飛向天空、進(jìn)入宇宙。以大氣層為界，大氣層以外的技術(shù)稱為航天技術(shù)，航天技術(shù)揭開了太空觀測、研究地球和整個(gè)宇宙的新時(shí)代。

1 宇宙速度

1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出，如果物體的速度足夠快，則可以繞地球飛行，這是機(jī)械能守恒的重要應(yīng)用之一。

航天器要想飛上太空，就必須有足夠的能量克服地球的萬有引力，即將能量轉(zhuǎn)化成物體的勢能。根據(jù)機(jī)械能守恒定律，航天器在地球表面的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成航天器在軌道飛行所具有的最小動(dòng)能和所具有的引力勢能。如果忽略發(fā)射過程中的空氣阻力，可得到3個(gè)宇宙速度：第一宇宙速度是指在地面上發(fā)射航天器，能沿著地

球的圓形軌道運(yùn)行的最小發(fā)射速度，即 ；第

二宇宙速度是指在地面上發(fā)射航天器，能脫離地球的引力場所

需的最小發(fā)射速度，即 ；第三宇宙速度

是指在地球表面發(fā)射航天器，不但要脫離地球的引力，還要脫

離太陽的引力的最小發(fā)射速度，即 。

以上3個(gè)宇宙速度從理論上證明了人類飛上太空的可能性，而火箭的發(fā)明使這種理論成為了現(xiàn)實(shí)，促進(jìn)了航天技術(shù)的快速發(fā)展。

2 火箭速度

所有航天器的發(fā)射都需要借助于火箭。火箭自身可攜帶燃料，在發(fā)射過程中遵循動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律。俄國火箭之父齊奧爾科夫斯基給出了理論上火箭的速度公式：

. （1）

式（1）中：V為火箭運(yùn)動(dòng)的速度；u為火箭燃料的燃燒產(chǎn)物從噴氣管噴出的速度；M0為火箭起飛前的原始質(zhì)量；M為燃料與氧化劑燃燒完之后的火箭最終質(zhì)量。

在實(shí)際發(fā)射中，由于空氣阻力的影響，火箭的實(shí)際速度要稍小于理論值，且根據(jù)速度公式，要想提高火箭的速度，必須增加火箭的質(zhì)量比（M/M0，即燃燒燃料后火箭的質(zhì)量與燃燒燃料前火箭的質(zhì)量之比）。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)和材料，火箭的質(zhì)量比不可能無限制地提高，單級火箭的發(fā)射最終速度并不能達(dá)到最小的第一宇宙速度，所以，一般采用多級火箭技術(shù)發(fā)射。地面點(diǎn)火時(shí)引燃一級火箭，燃料燃燒使火箭加速，當(dāng)一級火箭中的燃料燃盡后，一級火箭自動(dòng)脫落并引燃二級火箭使火箭繼續(xù)加速，這樣能使火箭和火箭上的航天器最終獲得所需要的宇宙速度，從而進(jìn)入預(yù)定的飛行軌道。

美國發(fā)射的“阿波羅”登月飛船的運(yùn)載火箭“土星5號”，其總質(zhì)量為2 800 t，高約85 m，三級火箭的噴氣速度分別為：u1=2.9 km/s、u2=4 km/s、u3=4 km/s，三級火箭的質(zhì)量比分別為：N1=16、N2=14、N3=12.根據(jù)火箭速度方程可得火箭最后的速率約為28.5 km/s。

3 人造衛(wèi)星

衛(wèi)星是指繞行星運(yùn)行的天然天體。人造衛(wèi)星由人類建造，通過運(yùn)載工具，比如火箭、航天飛機(jī)等發(fā)射到太空中，能像衛(wèi)星一樣環(huán)繞地球或其他行星運(yùn)行的航天裝置。人造衛(wèi)星的概念始于1870年。1957年，前蘇聯(lián)發(fā)射的人衛(wèi)1號是第一顆被正式送入軌道的人造衛(wèi)星，數(shù)年后，各式各樣用于科學(xué)研究的人造衛(wèi)星被發(fā)射到環(huán)繞金星、火星和月球的軌道上，在近代通訊、地球資源探測、軍事偵察和天氣預(yù)報(bào)等方面已成為一種不可或缺的重要工具。

在人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)中，關(guān)鍵是確定其運(yùn)動(dòng)軌道。考慮到人造衛(wèi)星受有心力的作用運(yùn)動(dòng)，其角動(dòng)量守恒，而衛(wèi)星發(fā)射和運(yùn)動(dòng)過程中的機(jī)械能守恒，這樣能得到衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r與角位置θ間的關(guān)系表達(dá)式，即衛(wèi)星的軌道方程：

. （2）

式（2）中：P為曲線的焦點(diǎn)參數(shù)；e為偏心率。

式（2）是用極坐標(biāo)來表示的衛(wèi)星軌道方程，是一個(gè)以地心為一個(gè)焦點(diǎn)的橢圓曲線的一般方程，P，e二者均由地球和衛(wèi)星的質(zhì)量、衛(wèi)星的發(fā)射速度等因素決定?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星運(yùn)行軌道的控制。

此外，衛(wèi)星軌道通常分為2個(gè)階段，即主動(dòng)飛行段和自由飛行段。主動(dòng)飛行段是航天器軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作段，發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅后進(jìn)入目標(biāo)軌道呈自由飛行狀態(tài)，稱為自由飛行段。自由飛行段的軌道由主動(dòng)飛行段結(jié)束時(shí)航天器的各項(xiàng)飛行參數(shù)決定。變軌控制可以將衛(wèi)星從一個(gè)自由飛行段的軌道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)軌道，2個(gè)軌道既可以在同一個(gè)平面內(nèi)，也可以在不同平面內(nèi)。

1970-04，我國第—顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”成功發(fā)射，是繼前蘇聯(lián)、美、法、日后第五個(gè)發(fā)射衛(wèi)星的國家。該衛(wèi)星設(shè)備齊全，總質(zhì)量為173 kg，主要用于科學(xué)研究；1975-11，我國再次發(fā)射了返回型遙感衛(wèi)星，3天后，按原計(jì)劃順利返回，使我國成為第三個(gè)掌握此項(xiàng)技術(shù)的國家；1997-05，“長征三號”運(yùn)載火箭將“東方紅三號”同步通信衛(wèi)星送入預(yù)定軌道；1997-06，我國將“風(fēng)云二號”同步氣象衛(wèi)星送入軌道。迄今為止，我國成功發(fā)射了上百顆人造衛(wèi)星，它們在廣播通信、導(dǎo)航定位、對地觀察、氣象觀測和科學(xué)研究等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。

4 載人航天技術(shù)

航天器是載人航天技術(shù)的核心部分，它是航天員在太空生活和工作的場所。目前，載人航天器分為載人飛船、空間站和航天飛機(jī)3種。

載人飛船的特點(diǎn)為載人飛船規(guī)模最小、承載航天員的數(shù)量較少、費(fèi)用較低、技術(shù)簡單、能在太空短期運(yùn)行，是可使航天員返回艙沿彈道式或升力彈道式路徑返回地面垂直著陸的一次性使用無翼航天器，也是被首先用于突破載人航天的基本技術(shù)?？臻g站的特點(diǎn)為體積大、有一定試驗(yàn)或生產(chǎn)能力、可以供多名航天員工作和生活，它在軌運(yùn)行期間由飛船或航天飛機(jī)接送航天員、運(yùn)送物資和設(shè)備，2011-09-29發(fā)射的“天宮一號”是我國的第一個(gè)空間站和目標(biāo)飛行器。航天飛機(jī)的特點(diǎn)為可重復(fù)使用、可往返于太空和地面之間，結(jié)合了飛機(jī)與航天器的性質(zhì)，既能像載人飛船一樣在軌道上運(yùn)行，也能像運(yùn)載火箭一樣將人造衛(wèi)星送入太空。航天飛機(jī)是人類自由進(jìn)出太空的最佳工具，是航天史上的重要里程碑。目前，世界上只有美國和前蘇聯(lián)掌握了這項(xiàng)技術(shù)。

5 展望

航天技術(shù)為人類的可持續(xù)發(fā)展開辟了更廣闊的道路，帶動(dòng)了一系列其他科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大大增強(qiáng)了人類認(rèn)識和改造自然的能力，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。我國非常重視航天工業(yè)的發(fā)展，2012-06-24，“神舟九號”載人飛船與“天宮一號”手控交會(huì)對接成功，標(biāo)志著我國具備了建設(shè)空間站的基本能力，向著“載人航天三步走戰(zhàn)略”的目標(biāo)又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。相信在不久的將來，我國的航空航天技術(shù)將會(huì)更加成熟，發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]康穎.大學(xué)物理[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

〔編輯：張思楠〕