課題研究“神舟八號”與“天宮一號”的空間交會對接

李維兵

(南通高等師范學校 江蘇 南通 226100)

2011年9月29日，我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號F運載火箭將“天宮一號”目標飛行器發(fā)射升空.11月1日， “神舟八號”又成功發(fā)射.11月3日凌晨，“神舟八號” 與“天宮一號”目標飛行器實現(xiàn)空間交會對接(圖1)，形成組合體.成功對接標志著中國繼美國、俄羅斯成為世界上第三個自主掌握并成功實施航天器空間交會對接技術的國家.由于交會對接過程中，涉及中學物理的天體運動中的變軌、追及等問題，因此教師可以很好地引導學生來開展一個與航天器交會對接的課題研究活動，一方面對中學教材的補充，使學生掌握最新科技動態(tài)；另一方面可以培養(yǎng)學生學習物理的興趣和愛好.課題研究如下.

圖1 兩航天器空間交會對接模擬圖

1 課題準備

提前兩周將課題任務布置給學生，讓學生在課余時間利用廣播、電視、報刊、因特網(wǎng)等查找關于 “神舟八號”和“天宮一號”對接以及交會對接技術的相關資料，并思考如何運用中學物理中的圓周運動、萬有引力定律、宇宙速度等知識來解決實際問題.

2 課題探討

(1)教師通過視頻展示 “神舟八號”與“天宮一號”交會對接的錄像并提出要探討的問題.

1)了解空間交會對接；

2)“神舟八號”從發(fā)射后到對接成功，可分幾個階段；

3)“神舟八號”與“天宮一號”交會對接意義.

(2)學生分組按要求整理搜集到的資料

1)空間的兩個航天器在同一時刻以同樣的速度到達同一個地點的軌道控制過程及結(jié)果稱做軌道交會.在空間將兩個航天器對接起來形成一個航天器稱做空間對接.

2)“神舟八號”從發(fā)射后到對接成功可分兩個階段.

首先是變軌階段.“神舟八號”從地面發(fā)射升空后，在地面指令引導下，經(jīng)過5次變軌控制，飛抵“天宮一號”后下方約52 km處，轉(zhuǎn)入自主控制飛行狀態(tài)；再經(jīng)過4次自主變軌控制，抵達距“天宮一號”約5 km的對接入口點.飛船暫?！澳_步”，等待地面對兩航天器相對導航計算結(jié)果進行確認.

其次是對接階段.“神舟八號”船載發(fā)動機再次點火，繼續(xù)飛向“天宮一號”，在相對距離400 m停泊點，駐足約3 min，以0.5 m/s的相對速度接近“天宮一號”，進入相對距離30 m停泊點，“神舟八號”以0.2 m/s的相對速度，向“天宮一號”緩緩靠攏.

3)“神舟八號”與“天宮一號”交會對接的意義主要體現(xiàn)在四個方面.一是為我國將來運行的空間設施提供物資補給和人員運輸服務作準備；二是為我國將來的空間設施的建造和運行服務作準備；三是為將來進行空間飛行器重構以實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化作準備；四是為我國將來載人登月和升空探測任務作準備.因此，“神舟八號”與“天宮一號”成功對接是發(fā)展航天技術、增強人類探索和開發(fā)太空資源能力的一項重大關鍵技術.

(3)全班交流、討論、歸納，教師適時引導、點撥.

3 課題應用

教師通過幻燈片和講義展示，結(jié)合中學階段所學的知識，舉例來分析變軌和對接問題.

(1)關于變軌過程中的問題討論

【例1】若“天宮一號”能在離地面約300 km高的圓軌道上正常運行， “神舟八號”從地面發(fā)射后，在對接前，經(jīng)過5次變軌控制，飛抵“天宮一號”后下方約52 km處，轉(zhuǎn)入自主控制飛行狀態(tài).再經(jīng)過4次自主變軌控制，抵達距“天宮一號”約5 km的對接入口點.下面說法中正確的是

A.“神舟八號”的發(fā)射速度應大于第二宇宙速度

B.在關閉發(fā)動機,飛船暫?！澳_步”時，“神舟八號”的加速度小于“天宮一號”的加速度

C.在每次變軌的瞬間,“神舟八號”發(fā)動機需點火加速

D.在每次變軌的瞬間,“神舟八號”發(fā)動機需點火減速

(2)關于對接過程中的問題討論

【例2】若對接前的某段時間內(nèi)，“神舟八號”與“天宮一號”已經(jīng)處在同一圓形軌道上順時針運行，如圖2所示，則在“神舟八號”的發(fā)動機點火追趕“天宮一號”，兩飛行器實現(xiàn)成功對接的過程中，下列說法正確的是

A.“神八”飛船和“天宮一號”的角速度相同

B.“神八”飛船比“天宮一號”的角速度大

C.對接過程中，“神八”飛船應向運動的后上方噴氣以實現(xiàn)加速追趕同軌道的“天宮一號”

D.對接過程中，“神八”飛船應向運動的后下方噴氣以實現(xiàn)加速追趕同軌道的“天宮一號”

圖2 兩航天器成功對接的示意圖

啟發(fā)學生分析：由題意可知，對接前的某段時間內(nèi)，兩船已經(jīng)處在同一圓形軌道(圖3).此時“神舟八號”的速度比“天宮一號”大.故“神舟八號”的角速度大.選項A錯誤，選項B正確.對接過程中實現(xiàn)的是同軌道加速，需要“神舟八號”的速度要比“天宮一號”大點，通過噴氣加速，使得切線方向有力，即F2=F切，由于“神舟八號”速度大了，所需的向心力就比萬有引力大，為了使運動軌道不變，即此時噴氣使得在法線方向也有力，即F萬+F1=F向.

圖3 航天器對接的受力分析

要使“神舟八號”與“天宮一號”對接成功，發(fā)動機提供的動力應該如圖3所示，噴氣的方向應該是F1和F2的合力F的反方向，所以“神舟八號”應向運動的后上方噴氣以實現(xiàn)加速追趕同軌道的“天宮一號”.

4 課題跟蹤

帶著課題研究的熱情和興趣，繼續(xù)關注航天事業(yè)，“神舟八號”和“天宮一號”成功對接，意義十分重大.不久將迎來“神舟九號”的對接，和“神舟十號”的載人對接.今后的載人飛船發(fā)射時間間隔將大大縮短，目標飛行器發(fā)射當天就可以發(fā)射對接飛船，將更好、更快捷地服務于太空空間站建設.同時 “神八”成功對接，標志中國人轉(zhuǎn)移到其他星球上居住和生活將不再是幻想，完全有能力開發(fā)出更加美好的生活空間，來解決將來中國生活空間越來越擁擠的現(xiàn)狀.