“神舟飛天”與物理知識(shí)的聯(lián)想

汪銘暄

摘 要：文章堅(jiān)持書(shū)本知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)以致用的原則，在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，聯(lián)系生活，生產(chǎn)和現(xiàn)代科技工作實(shí)際，從神舟飛船，載入航天的發(fā)射、運(yùn)行、回收三個(gè)過(guò)程詳細(xì)分析具體環(huán)節(jié)中運(yùn)用物理原理的情況。文章也展現(xiàn)了在改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)家重視科學(xué)技術(shù)的研究，科研工作者艱辛攻關(guān)，使航天事業(yè)發(fā)展迅速，成績(jī)輝煌。

關(guān)鍵詞：航天工程；物理；萬(wàn)有引力；書(shū)本知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合

最近，我們復(fù)習(xí)到高中物理教材的“萬(wàn)有引力與航天”，不由得又聯(lián)想到“神舟”飛船的發(fā)射、運(yùn)行和回收三個(gè)過(guò)程，所涉及到中學(xué)生學(xué)過(guò)的許多物理知識(shí)?，F(xiàn)遵從理論聯(lián)系實(shí)際的原則，按飛船發(fā)射三個(gè)過(guò)程的順序，進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，以便促進(jìn)自己養(yǎng)成學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)聯(lián)系生活、生產(chǎn)和科技實(shí)際，學(xué)以致用的良好習(xí)慣。

一、發(fā)射過(guò)程

從電視畫(huà)面中我們會(huì)看到，當(dāng)指揮員發(fā)出“點(diǎn)火”的指令后，巨型運(yùn)載火箭噴射出一團(tuán)橘紅色的烈焰，將火箭（含飛船）平地托起，直沖云天，此刻，飛船進(jìn)入發(fā)射過(guò)程。

首先，想到火箭中燃燒的燃料應(yīng)該是熱值很高的燃料。常用的燃料像煤、干木柴、汽油的熱值都比氫的熱值低許多，所以火箭要用氫來(lái)作燃料，而且是用液態(tài)的氫，所占空間體積才會(huì)很小，氫由氣態(tài)變成液態(tài)應(yīng)該采取壓縮和降溫的辦法才可實(shí)現(xiàn)。在飛船的燃料箱中還應(yīng)有液態(tài)的氧氣作為助燃劑。飛船升空的階段，氫不斷地燃燒，燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾膬?nèi)能，內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為火箭的機(jī)械能?；鸺盏膭?dòng)力在于它本身，火箭向下噴出高速氣流，氣流對(duì)火箭有一個(gè)反向的作用，也正是反沖作用。這時(shí)只要把發(fā)射前火箭整體看成一個(gè)系統(tǒng)，發(fā)射時(shí)，將噴出的氣體和火箭分別看成一個(gè)系統(tǒng)，動(dòng)量應(yīng)是守恒的。驅(qū)動(dòng)力對(duì)火箭做功，火箭的機(jī)械能不斷增加。

另外，火箭在發(fā)射時(shí)，尾部的火焰溫度很高，如果直接噴射到發(fā)射臺(tái)上，會(huì)燒壞發(fā)射臺(tái)和發(fā)射架。為了解決這個(gè)問(wèn)題科學(xué)家利用了“物態(tài)變化”的知識(shí)把比熱熔較大，又最便宜的水利用上了。他們?cè)诎l(fā)射臺(tái)底下造一個(gè)大水池，讓火焰噴到水池中，使水吸熱升溫并汽化再吸熱，使周?chē)h(huán)境溫度降低許多。

再者，火箭點(diǎn)火后在噴射出烈焰的同時(shí)，會(huì)發(fā)出震耳的雷鳴聲，這是極大的噪聲，這種噪聲是由周?chē)矬w及空氣振動(dòng)而產(chǎn)生的，大約有150分貝，會(huì)損害人的聽(tīng)力器官，為了保護(hù)宇航員的聽(tīng)力，飛船的設(shè)計(jì)必須能夠讓艙內(nèi)的噪聲低于90分貝，才能保護(hù)宇航員的聽(tīng)力不受損傷。

還有，我們高中學(xué)到了第一宇宙速度，數(shù)值為7.9千米/秒，它是飛船最小發(fā)射速度，也是飛船最大的運(yùn)行速度。這個(gè)數(shù)據(jù)的計(jì)算依據(jù)是：飛船繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需向心力由萬(wàn)有引力提供，即：

近地衛(wèi)星可以說(shuō)是在“地球附近”飛行，可以用地球半徑R代表衛(wèi)星距離地面的距離r。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上面速度公式后算出的。而飛船在數(shù)百千米以上高空運(yùn)行時(shí)，地球?qū)︼w船引力減小，飛船入軌的速度略小于第一宇宙速度，約為7.5千米/秒，是聲速的22倍。

二、運(yùn)行過(guò)程

火箭將飛船送入太空后，會(huì)脫離飛船。在萬(wàn)有引力的作用下，飛船進(jìn)入預(yù)定的軌道環(huán)繞地球運(yùn)行。由開(kāi)普勒定律可知，這個(gè)運(yùn)行軌道應(yīng)該是橢圓的，地球在這個(gè)橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。飛船離地球最近的一點(diǎn)叫近地點(diǎn)，最遠(yuǎn)的叫遠(yuǎn)地點(diǎn)，當(dāng)飛船達(dá)到近地點(diǎn)時(shí)，運(yùn)行速度最快，動(dòng)能最大，勢(shì)能最??；到達(dá)遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)速度最慢，動(dòng)能最小，勢(shì)能最大。這時(shí)飛船只受重力作用，總的機(jī)械能是守恒的。飛船在太空軌道正常飛行，是不需要推動(dòng)力的，因?yàn)樘罩袥](méi)有空氣，也就沒(méi)有阻力，所以它只需要利用慣性和自身的重力就會(huì)不停地繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)需要變軌時(shí)，才需要推力的作用，才把飛船的推進(jìn)艙噴火時(shí)的反推力作為變軌的動(dòng)力。

飛船運(yùn)行時(shí)，重力要提供沿軌道運(yùn)行的向心力。航天員在失重的環(huán)境下，身體沒(méi)有可依靠的著力點(diǎn)，出艙漫步時(shí)，只能在安全帶掛鉤的幫助下，通過(guò)手沿飛船外壁位置改變，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)身體的移動(dòng)，從這個(gè)角度來(lái)看“漫步”應(yīng)為“慢移”。

航天服系統(tǒng)重大約120千克，航天員穿著這么笨重的航天服，并不會(huì)感到很吃力。原因是航天服和人一樣，在向心力的作用力，高速圍繞地球飛行，這時(shí)的向心力由重力來(lái)提供。在失重狀態(tài)下，航天服和人同樣，可以漂浮在空中，航天員完全可以承受非常笨重的航天服，并不會(huì)覺(jué)得費(fèi)力。

在飛船運(yùn)行時(shí)，給航天員的生活也會(huì)帶來(lái)很大的影響，給吃、喝、拉、睡都會(huì)帶來(lái)不便。在失重狀態(tài)下早先他們只能吃裝在像牙膏一樣的管內(nèi)的食物，吃的時(shí)候，往口中擠。喝水時(shí)，只能用吸管吸著喝，因?yàn)榘阉⒃诒永铮埠茈y把杯中的水倒進(jìn)口中。航天員在太空睡覺(jué)就更為奇特，其表現(xiàn)一是黑夜和白天不分。原因是在飛船內(nèi)看日出、日落是由飛船繞地球一圈的時(shí)間而定。在24小時(shí)內(nèi)，日出日落會(huì)多次交替出現(xiàn)，航天員只好按鐘點(diǎn)安排睡覺(jué)時(shí)間。表現(xiàn)二是睡姿奇態(tài)，航天員在失重的環(huán)境中，根本分不清上下左右，找不到“躺”的感覺(jué)，所以睡覺(jué)時(shí)不需要床，站著、躺著、坐著都一樣。人睡著了，兩臂卻會(huì)自由擺動(dòng)。因此，睡覺(jué)時(shí)，航天員會(huì)鉆進(jìn)睡袋中，拉上拉鏈，并固定在艙壁上，這樣才能保證不會(huì)飄走。

三、回收過(guò)程

據(jù)相關(guān)資料介紹，飛船的回收往往要經(jīng)歷四個(gè)階段：

（一）制動(dòng)階段

當(dāng)飛船在太空中運(yùn)行最后一圈時(shí)，測(cè)控指揮部向飛船注入返回指令，飛船要變軌調(diào)整飛行姿態(tài)，按照牛頓力學(xué)原理，需要有力的作用，由于飛船是由三個(gè)艙組成，即推進(jìn)艙、軌道艙和返回艙。其中推進(jìn)艙的功能正是為飛船的變軌調(diào)整飛行姿態(tài)提供動(dòng)力的設(shè)施。需要時(shí)按程序點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，飛船受力，改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成離軌操作任務(wù)，并進(jìn)入返回軌道。

（二）自由滑行階段

在自由滑行階段，飛船發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，基本上是無(wú)動(dòng)力的飛行狀態(tài)。這一階段也叫大氣層內(nèi)自由落體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。飛船的重力勢(shì)能不斷轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，飛行速度會(huì)越來(lái)越快。由于和空氣的摩擦，會(huì)產(chǎn)生大量的熱，那時(shí)飛船就像一團(tuán)火球，表面溫度能高達(dá)三千攝氏度。由于飛船在抗外高溫方面，包括飛船的外表材料，保護(hù)層和飛船內(nèi)的座艙里有各種隔熱裝置起到極大的作用，保證了航天員的環(huán)境溫度不會(huì)上升太高，對(duì)他們的工作、生活、身體影響不大。當(dāng)飛船飛行高度降至距地面約一百多千米時(shí)，飛船的推進(jìn)艙與返回艙分離。推進(jìn)艙在穿越大氣層時(shí)燒毀。返回艙繼續(xù)下落。返回艙的形狀像一個(gè)大鐘，原理是返回艙返回時(shí)進(jìn)入大氣層，千變?nèi)f化的氣流對(duì)返回艙作用很大，使返回艙難以保持一個(gè)固定的姿態(tài)，把它做成大鐘形狀，好似“不倒翁”一樣，底部大，上端小，抗氣流能力會(huì)大大增強(qiáng)。同時(shí)大鐘的形狀相對(duì)其他形狀有利于實(shí)現(xiàn)防熱的目的。

（三）再入大氣層階段

飛船的返回艙自由降落到離地面大約100千米時(shí)，返回艙表面空氣密度逐漸增大，飛船要克服摩擦做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，飛船表面形成高溫等離子氣體層，它會(huì)將電磁波屏蔽，使艙內(nèi)的航天員暫時(shí)失去與地面的聯(lián)系，這就是所謂的“黑障”現(xiàn)象。當(dāng)返回艙降至離地面四、五十千米時(shí)，“黑障”逐漸消失，恢復(fù)和地面指揮部的聯(lián)系，返回艙繼續(xù)下落。

（四）著陸階段

當(dāng)返回艙降至離地面大約10千米時(shí)，便進(jìn)入著陸階段，回收著陸系統(tǒng)開(kāi)始工作。當(dāng)時(shí)飛船速度很高，大約200米/秒，如果不采取減速措施，飛船高速著陸，航天員受力的動(dòng)量及沖量會(huì)大的出奇，猶如從100米高樓墜落到地面上一樣，后果可想而知。為了保證航天員的人身安全，回收著陸系統(tǒng)會(huì)連續(xù)完成拉出引導(dǎo)傘、減速傘、主傘的動(dòng)作，飛船才會(huì)開(kāi)始減速，緩緩下落。由于這時(shí)，向上的阻力大于向下的重力，飛船的加速度方向向上，飛船下落速度逐漸降到大約為10米/秒。若不繼續(xù)減速，著陸的風(fēng)險(xiǎn)仍很大。當(dāng)飛船離地面大約1米時(shí)，安裝在返回艙底部的幾臺(tái)反推火箭會(huì)點(diǎn)火工作，促使返回艙的速度一下子降到2米/秒以內(nèi)，再加上航天員的坐椅具有緩沖功能，能使沖擊時(shí)的部分能量被緩沖吸收，還有航天員是躺在坐椅上落地的，增大了接觸面積，從壓強(qiáng)的角度講，大大減小了航天員著陸時(shí)受到的壓強(qiáng)。從沖量的角度講，作用時(shí)間延緩了，航天員受的作用力就大大減小。這樣采用多種措施實(shí)現(xiàn)飛船的軟著陸，從而保障了返回艙和航天員的安全。

我們中學(xué)生一定要向?yàn)橹袊?guó)航天事業(yè)做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家學(xué)習(xí)，認(rèn)真學(xué)習(xí)文化知識(shí)，聯(lián)系生活、生產(chǎn)、科技實(shí)際，不斷提高自己的綜合素質(zhì)，將來(lái)能成為一名有理想、有道德、有知識(shí)、有能力、高素質(zhì)、創(chuàng)新型的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人。