航天器變軌和對(duì)接問題淺議

馮昊

(大同二中，山西 大同 0 3 7 0 0 0)

航天器變軌和對(duì)接問題淺議

馮昊

(大同二中，山西 大同 0 3 7 0 0 0)

學(xué)生對(duì)航天器的變軌及對(duì)接存在較大興趣。航天器的變軌和對(duì)接涉及到物理知識(shí)中的圓周運(yùn)動(dòng)、供求平衡關(guān)系等。本文通過實(shí)際舉例，闡述航天器的變軌及對(duì)接問題。

航天器；變軌；對(duì)接

在進(jìn)行物理學(xué)習(xí)時(shí)，關(guān)于航天及萬有引力的探討是必可不少的，通過對(duì)知識(shí)點(diǎn)的了解，我們可以發(fā)現(xiàn)，在以往人造衛(wèi)星發(fā)射成功的同時(shí)，對(duì)引力進(jìn)行充分考慮及衡量是保證發(fā)射效率的基本前提，要想達(dá)到最佳射程，就需要充分考慮地球引力，相對(duì)的衛(wèi)星的發(fā)射難度也就不斷增加，因此我們?cè)谝话闱闆r下進(jìn)行圓周軌道發(fā)射時(shí)，會(huì)首先將衛(wèi)星引入與地面距離較近的軌道內(nèi)，再通過點(diǎn)火操作實(shí)現(xiàn)其快速運(yùn)行，使其呈現(xiàn)離心特點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)移軌道時(shí)，還需要進(jìn)行上述動(dòng)作，使其進(jìn)一步達(dá)到預(yù)設(shè)軌道。

以下淺析航天器的變軌和對(duì)接問題。

在我們學(xué)習(xí)物理的過程中，在對(duì)人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)等的問題進(jìn)行解答時(shí)，可以以圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)，通過向心力的平衡狀態(tài)進(jìn)行結(jié)果判定，從而得到正確答案。當(dāng)向心力的供求達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，也是供求兩邊相等，物體就會(huì)做出速度勻稱的圓周運(yùn)動(dòng)；一旦供求平衡狀態(tài)被打破，供小于求時(shí)，也就出現(xiàn)了供與求不相符的狀態(tài)，物體就會(huì)呈現(xiàn)離心狀態(tài)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)供大于求時(shí)，也是不平衡狀態(tài)，物體就會(huì)呈現(xiàn)向心狀態(tài)運(yùn)動(dòng)。

例1：人造衛(wèi)星進(jìn)行變軌是達(dá)到發(fā)射要求的必行之舉，如神州八號(hào)，如果其發(fā)射軌道與天宮一號(hào)的軌道不在一個(gè)平面上，那么對(duì)接操作就無法進(jìn)行，因此它只有變軌，變道與天宮一號(hào)同一軌道才能夠順利完成對(duì)接。神州八號(hào)飛船的成功發(fā)射，代表著我國的空間交會(huì)對(duì)接能力已經(jīng)初具模型，實(shí)際對(duì)接狀態(tài)為：飛船在達(dá)到停泊點(diǎn)時(shí)會(huì)繼續(xù)前移4 0 0 m，而天宮一號(hào)則在第4及第1 3圈進(jìn)行變軌運(yùn)動(dòng)等等，下面還有一系列的變軌對(duì)接活動(dòng)，因此我們就可以發(fā)現(xiàn)，在變軌過程中是需要進(jìn)行較為嚴(yán)密的計(jì)算機(jī)衡量的，距離與距離之間更要達(dá)到變軌實(shí)際需求，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的變軌對(duì)接活動(dòng)，使發(fā)射效率達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

飛船欲與“天宮一號(hào)”成功地對(duì)接,飛船需要追上“天宮一號(hào)”,可采用的方法是從較低軌道加速飛船在較低軌道上運(yùn)行時(shí),它受到的萬有引力正好提供它所需要的向心力。若飛船加速,則萬有引力小于向心力,飛船將做離心運(yùn)動(dòng),升到較高軌道與“天宮一號(hào)”對(duì)接。若飛船從與“天宮一號(hào)”同一高度的軌道加速或從較高軌道加速。它將升到更高的軌道上,無法實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。

例2：我們可以通過神州七號(hào)發(fā)射時(shí)形成的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行較為嚴(yán)密的研究，通過相關(guān)數(shù)據(jù)表明，神舟七號(hào)在發(fā)射時(shí)變軌信息具體表現(xiàn)為，由最初階段的進(jìn)入的軌道的傾斜角為4 2.4°，與地表面相差的距離值為2 0 0 k m，這一軌道處于遠(yuǎn)離地面的3 4 7 m，具有橢圓特點(diǎn)的軌道結(jié)構(gòu)上，在完成4圈以后的飛行時(shí)，進(jìn)入下一圈是關(guān)鍵點(diǎn)，這時(shí)需要對(duì)飛船進(jìn)行變軌處理，使其能夠在被操控的同時(shí)到達(dá)應(yīng)進(jìn)入的軌道上。

當(dāng)飛船在初始軌道上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)形成距離地面較近的點(diǎn)，也會(huì)形成離地面較遠(yuǎn)的點(diǎn)，通常情況下，當(dāng)飛船運(yùn)行至離地面較遠(yuǎn)的距離時(shí)，就可以對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)火，使其速度得到提升，使飛船能夠在速度的推動(dòng)下順利達(dá)到下一軌道。但是在我們進(jìn)行問題解答時(shí)，會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)幾個(gè)問題誤導(dǎo)我們，如果我們對(duì)知識(shí)掌握不夠扎實(shí)，就會(huì)受相似答案誤導(dǎo)，選出錯(cuò)誤選項(xiàng)。

一般情況下的相似問題會(huì)這樣提出：飛船在初始軌道運(yùn)行時(shí)，近地點(diǎn)的地球引力會(huì)大于發(fā)射所必備的向心力；飛船在初始軌道上運(yùn)行的過程中，距離地面較遠(yuǎn)的點(diǎn)的地球引力，會(huì)大于發(fā)射必備的向心力；飛船在初始軌道上的距離地面較遠(yuǎn)的點(diǎn)的速度會(huì)小于下一軌道上相同點(diǎn)的速度；在初始軌道上遠(yuǎn)離地面的點(diǎn)的速度會(huì)大于下一軌道上相同點(diǎn)的速度。

我們?cè)谶M(jìn)行分析時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，飛船在最初的軌道上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，肯定是與地面越接近速度就會(huì)越快，這就相當(dāng)于飛船在與地面較近的位置點(diǎn)與地球的中心點(diǎn)的半徑范圍內(nèi)是做出離心運(yùn)動(dòng)的，這也就間接的表明了這個(gè)位置點(diǎn)所承受的地球引力，比該點(diǎn)所要求的向心力要小；在遠(yuǎn)離地面的位置點(diǎn)上的飛船由于受到應(yīng)力影響，速度就會(huì)有所減緩，這時(shí)在軌道上所做的運(yùn)動(dòng)就是向心運(yùn)動(dòng)，這就表明飛船在這一位置點(diǎn)上所承載的地球引力是大于該點(diǎn)所要求的向心力的。

當(dāng)飛船從初始軌道上運(yùn)行至距離地面較遠(yuǎn)的位置點(diǎn)上，飛船就可以通過點(diǎn)火，從尾部向外噴射氣體，形成作用力，提升飛船運(yùn)行速度，而地球本身存在的萬有引力是不變的，這時(shí)地球引力對(duì)飛船的圓周運(yùn)動(dòng)影響力明顯不足，飛船就會(huì)沿著最初軌道做出離心運(yùn)動(dòng)，達(dá)到下一軌道上。

還會(huì)出現(xiàn)另一面的狀況，當(dāng)飛船在脫離初始軌道進(jìn)入下一軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，達(dá)到遠(yuǎn)離地面的點(diǎn)就會(huì)向前方噴出氣體，這樣速度就會(huì)得到削減，這時(shí)地球引力就會(huì)大于位置點(diǎn)所需要的向心力，飛船就會(huì)做出向心運(yùn)動(dòng)，并重新回到初始軌道上，因此飛船在這一軌道上的運(yùn)行速度是明顯小于下一軌道上相同位置點(diǎn)的速度的；當(dāng)飛船運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)離地面的位置點(diǎn)時(shí)，不管是在哪個(gè)軌道上，所承受的地球引力都是一致的，并不會(huì)發(fā)生改變，我們通過物理中的牛頓第二定律就可以得出結(jié)論，飛船在上述兩個(gè)軌道上的加速度是相同的，因此就可以得出正確答案。

例3：我國的探月計(jì)劃主要被劃分為三個(gè)推進(jìn)環(huán)節(jié)，我們通過了解后可以發(fā)現(xiàn)，探月的第一步就是繞，這一內(nèi)容是由我國的首顆人造衛(wèi)星完成的，在完成發(fā)射任務(wù)后，嫦娥一號(hào)需要花費(fèi)九天左右的時(shí)間進(jìn)行相關(guān)軌道段的飛行。我們可以做出假想，如果這一探測衛(wèi)星是圍繞地球進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，并且保持較為勻速的狀態(tài)，并且在最為恰當(dāng)?shù)年P(guān)鍵點(diǎn)上進(jìn)行點(diǎn)火，并提升速度，使其能夠進(jìn)入到與地面相近的位置點(diǎn)，同時(shí)在地球表面的相近范圍內(nèi)、距離較遠(yuǎn)的位置點(diǎn)在月球表面的相近范圍內(nèi)的橢圓軌道上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

如果想要在此種狀態(tài)下使該衛(wèi)星進(jìn)行環(huán)繞月球的軌道上，那么就需要在離月球較近的位置點(diǎn)，也可以說成是離地球較遠(yuǎn)的位置啟動(dòng)火箭運(yùn)行，并保持與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)相背離的方向噴射氣體。這主要是因?yàn)?，嫦娥一?hào)是月球探測衛(wèi)星，為了使其能夠在正常狀態(tài)下脫離橢圓軌道，進(jìn)入月球環(huán)繞軌道，就應(yīng)當(dāng)在距離月球表面的位置點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)火，使其速度下降，也就是需要產(chǎn)生方向的作用力，使月球本身引力大于圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)變軌運(yùn)動(dòng)。

例4：當(dāng)航天器處于同一軌道上，其中一個(gè)領(lǐng)先于另一個(gè)，兩航天器的交會(huì)稱為共軌交會(huì)。要實(shí)現(xiàn)航天器的共軌交會(huì)，可通過對(duì)問題進(jìn)行理解，并結(jié)合物理知識(shí)就可以得出相應(yīng)結(jié)論，此時(shí)航天飛機(jī)應(yīng)減速，從而進(jìn)入一個(gè)較小的軌道（相位調(diào)整軌道）。較小的軌道對(duì)應(yīng)的周期較小，如果速度降低的適當(dāng)，當(dāng)航天飛機(jī)完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)回到開始減速的位置時(shí)，通信衛(wèi)星剛好也到達(dá)這里，即可實(shí)現(xiàn)交會(huì)。

[1]鄧逸凡，李超兵，王志剛.一種基于軌道要素形式終端約束的航天器空間變軌迭代制導(dǎo)算法[J].電子與控制，2 0 1 5(6).

[2]馮維明,王澤峰.航天器雙主動(dòng)交會(huì)策略研究[J].論文與報(bào)告，2 0 1 1(1).

[3]黃文虎,曹登慶,韓增堯.航天器動(dòng)力學(xué)與控制的研究進(jìn)展與展望[J].航天動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展專輯，2 0 1 2(4).

[4]蔡麗芬.有效追問 驅(qū)動(dòng)理解——衛(wèi)星變軌問題分析[J].湖南中學(xué)物理，2 0 1 6(1).

[5]陳小明.對(duì)一道同步衛(wèi)星變軌題的評(píng)析[J].物理通報(bào)，2 0 1 6(4).

[6]姚黃濤，馮杰.淺析衛(wèi)星變軌運(yùn)動(dòng)[J].物理通報(bào)，2 0 1 6(6).

[7]楊傳頂.“衛(wèi)星變軌”中疑難問題突破舉隅[J].新教育，2 0 1 6(1 6).

[8]王紅曉.闡釋衛(wèi)星變軌問題[J].中學(xué)生數(shù)理化(學(xué)習(xí)研究)，2 0 1 6(9).

[9]楊君.由一道試題展開對(duì)衛(wèi)星變軌后的過程分析[J].物理教師，2 0 1 6(1 0).

[1 0]閆德勝,楊成柱.淺談衛(wèi)星變軌問題的分析方法[J].中學(xué)生數(shù)理化(高一版)，2 0 1 5(4).

G 6 3 4.7

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 1（上）-0 1 3 4-0 2