航天技術中的物理學原理

張健++王鳴曉++趙大鵬

摘 要：根據機械能守恒、角動量守恒定量計算了航天技術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，證明了物理學原理在航空技術中的重要性。

關鍵詞：物理學原理；航天技術；第一宇宙速度；機械能守恒定律

中圖分類號：V47 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.018

隨著科學技術的發(fā)展，20世紀初興起的航天技術逐步使人類走出地球、飛向天空、進入宇宙。以大氣層為界，大氣層以外的技術稱為航天技術，航天技術揭開了太空觀測、研究地球和整個宇宙的新時代。

1 宇宙速度

1687年，牛頓在《自然哲學的數學原理》中提出，如果物體的速度足夠快，則可以繞地球飛行，這是機械能守恒的重要應用之一。

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，即將能量轉化成物體的勢能。根據機械能守恒定律，航天器在地球表面的動能轉化成航天器在軌道飛行所具有的最小動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實，促進了航天技術的快速發(fā)展。

2 火箭速度

所有航天器的發(fā)射都需要借助于火箭?；鸺陨砜蓴y帶燃料，在發(fā)射過程中遵循動量定理和動量守恒定律。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為火箭運動的速度；u為火箭燃料的燃燒產物從噴氣管噴出的速度；M0為火箭起飛前的原始質量；M為燃料與氧化劑燃燒完之后的火箭最終質量。

在實際發(fā)射中，由于空氣阻力的影響，火箭的實際速度要稍小于理論值，且根據速度公式，要想提高火箭的速度，必須增加火箭的質量比（M/M0，即燃燒燃料后火箭的質量與燃燒燃料前火箭的質量之比）。根據現有的技術和材料，火箭的質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到最小的第一宇宙速度，所以，一般采用多級火箭技術發(fā)射。地面點火時引燃一級火箭，燃料燃燒使火箭加速，當一級火箭中的燃料燃盡后，一級火箭自動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，從而進入預定的飛行軌道。

美國發(fā)射的“阿波羅”登月飛船的運載火箭“土星5號”，其總質量為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，三級火箭的質量比分別為：N1=16、N2=14、N3=12.根據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)星是指繞行星運行的天然天體。人造衛(wèi)星由人類建造，通過運載工具，比如火箭、航天飛機等發(fā)射到太空中，能像衛(wèi)星一樣環(huán)繞地球或其他行星運行的航天裝置。人造衛(wèi)星的概念始于1870年。1957年，前蘇聯發(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，數年后，各式各樣用于科學研究的人造衛(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、軍事偵察和天氣預報等方面已成為一種不可或缺的重要工具。

在人造衛(wèi)星的運動中，關鍵是確定其運動軌道?？紤]到人造衛(wèi)星受有心力的作用運動，其角動量守恒，而衛(wèi)星發(fā)射和運動過程中的機械能守恒，這樣能得到衛(wèi)星運動的軌道半徑r與角位置θ間的關系表達式，即衛(wèi)星的軌道方程：

. （2）

式（2）中：P為曲線的焦點參數；e為偏心率。

式（2）是用極坐標來表示的衛(wèi)星軌道方程，是一個以地心為一個焦點的橢圓曲線的一般方程，P，e二者均由地球和衛(wèi)星的質量、衛(wèi)星的發(fā)射速度等因素決定。可通過調節(jié)各項參數實現對衛(wèi)星運行軌道的控制。

此外，衛(wèi)星軌道通常分為2個階段，即主動飛行段和自由飛行段。主動飛行段是航天器軌道控制發(fā)動機點火工作段，發(fā)動機熄滅后進入目標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飛行段結束時航天器的各項飛行參數決定。變軌控制可以將衛(wèi)星從一個自由飛行段的軌道轉移到另一個軌道，2個軌道既可以在同一個平面內，也可以在不同平面內。

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、美、法、日后第五個發(fā)射衛(wèi)星的國家。該衛(wèi)星設備齊全，總質量為173 kg，主要用于科學研究；1975-11，我國再次發(fā)射了返回型遙感衛(wèi)星，3天后，按原計劃順利返回，使我國成為第三個掌握此項技術的國家；1997-05，“長征三號”運載火箭將“東方紅三號”同步通信衛(wèi)星送入預定軌道；1997-06，我國將“風云二號”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、導航定位、對地觀察、氣象觀測和科學研究等領域都有著廣泛應用。

4 載人航天技術

航天器是載人航天技術的核心部分，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3種。

載人飛船的特點為載人飛船規(guī)模最小、承載航天員的數量較少、費用較低、技術簡單、能在太空短期運行，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?？臻g站的特點為體積大、有一定試驗或生產能力、可以供多名航天員工作和生活，它在軌運行期間由飛船或航天飛機接送航天員、運送物資和設備，2011-09-29發(fā)射的“天宮一號”是我國的第一個空間站和目標飛行器。航天飛機的特點為可重復使用、可往返于太空和地面之間，結合了飛機與航天器的性質，既能像載人飛船一樣在軌道上運行，也能像運載火箭一樣將人造衛(wèi)星送入太空。航天飛機是人類自由進出太空的最佳工具，是航天史上的重要里程碑。目前，世界上只有美國和前蘇聯掌握了這項技術。

5 展望

航天技術為人類的可持續(xù)發(fā)展開辟了更廣闊的道路，帶動了一系列其他科學技術的進步，大大增強了人類認識和改造自然的能力，促進了生產力的發(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”手控交會對接成功，標志著我國具備了建設空間站的基本能力，向著“載人航天三步走戰(zhàn)略”的目標又邁出了堅實的一步。相信在不久的將來，我國的航空航天技術將會更加成熟，發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻

[1]康穎.大學物理[M].北京：科學出版社，2005.

〔編輯：張思楠〕