袁浩翔

摘 要： 天體運(yùn)動(dòng)中的定律與航空航天具有密切的聯(lián)系。本文首先分寫(xiě)介紹了開(kāi)普勒定律、萬(wàn)有引力定律、三種宇宙速度三種航空航天領(lǐng)域中具有基礎(chǔ)性意義的物理定律，隨后從萬(wàn)有引力定律的綜合應(yīng)用和天體運(yùn)動(dòng)中功和能的運(yùn)用兩個(gè)方面，探討了物理學(xué)科知識(shí)在航空航天領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。希望這些觀點(diǎn)能夠有效促進(jìn)我國(guó)“陸?？仗祀姟比I(lǐng)域戰(zhàn)能力的大幅提升。

關(guān)鍵詞： 物理學(xué)科;航天航空;萬(wàn)有引力

航空航天的發(fā)展對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)。探討物理學(xué)科知識(shí)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，需要建構(gòu)完整的知識(shí)脈絡(luò)，夯實(shí)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，合理應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)手段，深化對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、開(kāi)普勒定律等知識(shí)的理解、記憶和應(yīng)用，結(jié)合運(yùn)動(dòng)模型，掌握了解決問(wèn)題的核心和切入點(diǎn)，以強(qiáng)化對(duì)天體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)知，為今后航空航天知識(shí)的學(xué)習(xí)鋪平道路。

1 天體運(yùn)動(dòng)中的定律

1.1 開(kāi)普勒定律

開(kāi)普勒定律（Kepler's law），也叫“行星運(yùn)動(dòng)定律”對(duì)整個(gè)天文學(xué)界帶來(lái)的重大的變革，完善并簡(jiǎn)化了哥白尼的日心說(shuō)，從物理基礎(chǔ)上解釋太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)原因。其軌道定律和面積定律最先表明天體的運(yùn)動(dòng)和軌跡是具有一定的特征和規(guī)律的，行星是沿著橢圓軌道圍繞太陽(yáng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，太陽(yáng)是這個(gè)橢圓軌跡的二個(gè)焦點(diǎn)之一，并且在等量的時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)和運(yùn)動(dòng)中行星的向量半徑所掃過(guò)的面積都是相等的，換句話說(shuō)，在行星運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，在近日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速率為最大值，在遠(yuǎn)日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速率為最小值。開(kāi)普勒第三定律實(shí)際是天體運(yùn)動(dòng)的調(diào)和定律，證明了行星世界是一個(gè)勻稱的（和諧系統(tǒng)，太陽(yáng)系內(nèi)天體運(yùn)動(dòng)周期的大小只與其中心天體有關(guān)，其公轉(zhuǎn)周期的平方與行星軌道半長(zhǎng)徑的立方之比為常數(shù)。

1.2 萬(wàn)有引力定律

萬(wàn)有引力定律（law of universal gravitation）是牛頓于1687年首先提出的物理定律，該定律的出現(xiàn)，推動(dòng)了地面上物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律之間有機(jī)統(tǒng)一，第一次揭示了自然界中一種基本相互作用的規(guī)律，對(duì)物理學(xué)領(lǐng)域和天文學(xué)領(lǐng)域都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。萬(wàn)有引力定律清晰的闡述了自然界中存在的任何物體之間都會(huì)存在“力”的作用，其引力的大小由物體的質(zhì)量與物體間的距離有所決定，說(shuō)明了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，正式將力學(xué)理論納入到天體運(yùn)動(dòng)的研究領(lǐng)域，設(shè)置該定律還適用于解釋所有兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用力，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。[1]

1.3 三種宇宙速度

第一宇宙速度（V1）也叫做環(huán)繞速度，指衛(wèi)星沿地球表面作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)必須具備的速度，也是衛(wèi)星成功發(fā)射的最小速度，按照力學(xué)理論可以計(jì)算出V1=7.9公里/秒。也就是說(shuō)如果衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度小于第一宇宙速度，受到牛頓萬(wàn)有引力影響，衛(wèi)星會(huì)做向心運(yùn)動(dòng)落在地球上，發(fā)射失敗。與此同時(shí)，其運(yùn)動(dòng)的軌跡高度越高，圓周運(yùn)動(dòng)的線速度越小，地面對(duì)衛(wèi)星的引力也就越小。第二宇宙速度（V2）也叫做脫離速度，是指當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)第一宇宙速度V1達(dá)到一定值時(shí)，其環(huán)繞軌道的橢圓形的長(zhǎng)軸就會(huì)隨之延長(zhǎng)，最終脫離地球的引力場(chǎng)成為圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造行星，其計(jì)算結(jié)果為V2=11.2公里/秒，是使得物體擺脫地球引力的最小的發(fā)射速度。第三宇宙速度（V3）也叫逃逸速度，指隨著發(fā)射速度持續(xù)增長(zhǎng)，從地球表面發(fā)射的衛(wèi)星最終會(huì)掙脫太陽(yáng)引力的束縛，飛到太陽(yáng)系之外，到浩瀚的銀河系中漫游，其速度的大小為V3=16.7公里/秒。

2 物理在航空航天中的應(yīng)用

2.1 萬(wàn)有引力定律的綜合應(yīng)用

萬(wàn)有引力的定律為任何物體之間都有相互吸引力，這個(gè)力的大小與各個(gè)物體的質(zhì)量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比，根據(jù)公式其操作定義可以表述為萬(wàn)有引力等于引力常量乘以兩物體質(zhì)量的乘積除以它們距離的平方。其中重力理念在航空航天中的應(yīng)用最為廣泛，重力加速度（g）隨著天體與地面之間的高度（h）變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，假設(shè)重力（g）與地球?qū)ξ矬w的吸引力可以互相抵消，其計(jì)算公式可以表示為：F= GMm r2 。將萬(wàn)有引力定律應(yīng)用到中心天體質(zhì)量的估算中，需要借助天體運(yùn)動(dòng)周期（T）和軌道半徑（R）或依據(jù)中心天體表面的重力加速度（g）和半徑（r）求出相應(yīng)的數(shù)值?；谏鲜龅奈锢碇R(shí)能夠在航空航天中精準(zhǔn)的定位衛(wèi)星的軌道位置，對(duì)其自由圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)估，通過(guò)科學(xué)系統(tǒng)的操作進(jìn)行變軌運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代社會(huì)的航空航天事業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。[2]

2.2 天體運(yùn)動(dòng)中功和能的運(yùn)用

能是由物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的物理量，功是與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化過(guò)程有關(guān)的物理量，可以使物體內(nèi)的能量發(fā)生相應(yīng)的變化，兩者既相互聯(lián)系又相互區(qū)別，共同決定物理學(xué)中把力和物體在力的方向。將該物理概念應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域，將其與萬(wàn)有引力的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠科學(xué)有效的解決人類航天活動(dòng)中的實(shí)際問(wèn)題。例如，開(kāi)展月球探測(cè)工作已成為當(dāng)前國(guó)際航空航天活動(dòng)的必然趨勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)，月球上豐富而獨(dú)特的礦產(chǎn)和能源能夠?yàn)槿祟惿鐣?huì)的可持續(xù)發(fā)展提供知識(shí)，是地球資源的重要補(bǔ)充和儲(chǔ)備。我國(guó)的繞月探測(cè)工程被稱為“嫦娥工程”，嫦娥號(hào)衛(wèi)星的應(yīng)用能夠幫助我國(guó)獲取月球表面三維的影像，分析其礦產(chǎn)能源的分布特征，探測(cè)地月的空間環(huán)境。假設(shè)嫦娥三號(hào)在開(kāi)展探測(cè)活動(dòng)時(shí)，在A點(diǎn)處懸停并在力的作用下降落，當(dāng)其降落到原來(lái)的一般高度時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度為v，此時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)直接下落到月球表面。此環(huán)節(jié)中，需要分析從開(kāi)始降落到接觸月球表面的過(guò)程中機(jī)械能的變化，以保障嫦娥三號(hào)的安全性和穩(wěn)定性，其計(jì)算流程為：基于萬(wàn)有引力定律和相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取接觸月球表面時(shí)的速度V，再依據(jù)能量守恒定律對(duì)嫦娥三號(hào)降落過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而求出機(jī)械能的特征和規(guī)律。

3 結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代社會(huì)的航空航天事業(yè)為人類從空中觀察自然界提供了的條件，強(qiáng)化對(duì)物理學(xué)科知識(shí)的梳理和掌握，能夠?yàn)楹娇蘸教熘R(shí)的學(xué)習(xí)奠定的基礎(chǔ)，提高對(duì)航空航天技術(shù)的掌握能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊夢(mèng)飛.航天領(lǐng)域涉及的高中物理知識(shí)探究[J].科學(xué)咨詢（教育科研），2018（02）：126.

[2]王冠斌.高中物理知識(shí)在航空航天方面應(yīng)用淺談[J].中國(guó)高新區(qū)，2018（08）：95.