高中物理知識(shí)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用初探

鄭杰

【摘? ?要】在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的過程中，人們對(duì)航空航天領(lǐng)域的探索也在不斷拓展，多種探測(cè)器的研發(fā)為宇宙探索提供了技術(shù)保障。當(dāng)前，我國航天航空領(lǐng)域技術(shù)已占據(jù)世界前列。本文主要分析研究了高中物理知識(shí)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，希望能使高中生更扎實(shí)地掌握相關(guān)物理知識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣，為工作實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】高中物理知識(shí);航空航天;應(yīng)用分析

我國在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展速度不斷加快，載人飛船的研發(fā)標(biāo)志著我國全面進(jìn)入新的宇宙探索時(shí)期。對(duì)于高中生來說，應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)到技術(shù)進(jìn)步對(duì)國家發(fā)展的意義，特別是航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，標(biāo)志著國家科技水平的層次高下。在高中物理知識(shí)體系中，慣性定律及萬有引力定律等均屬航空航天技術(shù)研發(fā)應(yīng)用的高中物理知識(shí)。因此，通過具體分析高中物理知識(shí)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，既能增加高中生物理知識(shí)的儲(chǔ)備量，也可使同學(xué)們認(rèn)真鉆研，增強(qiáng)學(xué)好物理學(xué)的榮譽(yù)感。

1.高中物理知識(shí)與航空航天領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)性

在我國航空航天領(lǐng)域快速發(fā)展背景下，高中課本與相關(guān)考試中也出現(xiàn)了大量與航空航天有關(guān)的知識(shí)和試題，由此可以看出，物理知識(shí)在科技發(fā)展中的作用和價(jià)值。在對(duì)高中物理知識(shí)體系進(jìn)行梳理時(shí)能夠看出，能量守恒、電磁學(xué)、力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)等知識(shí)均與航空航天領(lǐng)域存在一定關(guān)聯(lián)性。

比如，我國航空航天領(lǐng)域的衛(wèi)星發(fā)射，會(huì)涉及到作用力原理及萬有引力等物理知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化。因航空航天屬于高度融合科技，在研發(fā)過程中需要以高中物理知識(shí)應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)合大量現(xiàn)代技術(shù)和理論知識(shí)，高中學(xué)生不應(yīng)滿足于書本，要學(xué)會(huì)打牢基礎(chǔ)，用延伸學(xué)習(xí)來拓寬視野。

再比如，通過鉆研遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等，可為高中生心頭的航天夢(mèng)增磚添瓦。以上技術(shù)原理學(xué)習(xí)，都需高中物理知識(shí)做支撐。譬如，高中物理電磁學(xué)的學(xué)習(xí)，能使同學(xué)們認(rèn)識(shí)和掌握電力基礎(chǔ)資源對(duì)航空航天的支持和鋪墊，從而增強(qiáng)研究高效電力、電子的信心，促進(jìn)國家高新技術(shù)向深層次發(fā)展。

2.高中物理知識(shí)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1天體質(zhì)量與密度計(jì)算

航空航天領(lǐng)域，在計(jì)算天體質(zhì)量與密度時(shí)，主要應(yīng)用高中物理中的開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律。開普勒軌道與面積定律表面天體運(yùn)行軌跡與規(guī)律，行星繞著太陽運(yùn)動(dòng)的軌跡均為橢圓形，太陽處于橢圓的焦點(diǎn)。所有行星與太陽之間的連線所掃過的面積相等，這就表明在近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率比較大，遠(yuǎn)日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率比較小。開普勒第三定律為運(yùn)動(dòng)周期定律，圍繞行星的軌道半長軸次方與公轉(zhuǎn)周期平方比值相同。從天體表面應(yīng)力加速度與半徑關(guān)系中能夠獲取天體密度與質(zhì)量，此時(shí)，萬有引力與中心力相同，能夠計(jì)算出中心天體質(zhì)量。當(dāng)天體周邊衛(wèi)星軌跡圍繞天體軌跡展開，軌道半徑就是天體半徑，進(jìn)一步可得知天體的密度。當(dāng)圍繞天體運(yùn)行的衛(wèi)星運(yùn)行軌跡為已知數(shù)值，此時(shí)就能獲取中心天體密度。

其次，由于高中物理知識(shí)中包含功與能等知識(shí)點(diǎn)，在航空航天技術(shù)中，功與能結(jié)合萬有引力，能使學(xué)生更深刻地理解高中物理知識(shí)與航空航天技術(shù)的關(guān)聯(lián)性。所以，深入了解和掌握功與能之間的有效轉(zhuǎn)換、明確能量守恒定律的適用范圍顯得非常重要。在天體運(yùn)行過程中，涉及的物理知識(shí)較多，比如航天器進(jìn)入太空之后，會(huì)產(chǎn)生第一、第二、第三宇宙速度，此時(shí)就可解決天體運(yùn)行。這些知識(shí)需要進(jìn)行不斷延伸學(xué)習(xí)。

2.2選擇飛船發(fā)射位置

通過對(duì)我國衛(wèi)星發(fā)射位置的分析可以看出，發(fā)射地區(qū)多選擇在緯度較低的地區(qū)。通過高中物理知識(shí)體系得知，大部分軌道衛(wèi)星是小軌道傾角衛(wèi)星，若選擇傾度較高的地區(qū)發(fā)射，需要較大能量實(shí)現(xiàn)橫向機(jī)動(dòng)，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)載火箭發(fā)射困難的問題。為防止出現(xiàn)這種不可回避的隱憂，需優(yōu)先選擇緯度較低的地區(qū)。

我國現(xiàn)有衛(wèi)星發(fā)射中心都位于不同緯度范圍內(nèi)，使衛(wèi)星發(fā)射軌道具有多種選擇性。宇宙飛船選擇在緯度較低的區(qū)域內(nèi)發(fā)射，可通過地球自轉(zhuǎn)線速度加快飛船速度，避免到達(dá)逃逸位置前已消耗大量燃料的情況，從而顯著提升飛船的運(yùn)載能力。在發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，應(yīng)將赤道作為最大發(fā)射緯度。

2.3航天器變姿與變軌運(yùn)動(dòng)

在將航天器送入太空后，為降低燃料消耗，需要分離航天器與運(yùn)載火箭。此時(shí)，航天器需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)與燃料實(shí)現(xiàn)變姿、變軌運(yùn)動(dòng)。例如，航天器從低軌道進(jìn)入到高軌道時(shí)的橫滾變姿。

（1）低軌道—高軌道物理原理：按照物理定義能看出，航天器從低軌道向高軌道行駛過程中會(huì)增加勢(shì)能。由高中能量守恒定律可知，利用外力能將能量提供給航天器，此時(shí)需提升發(fā)動(dòng)機(jī)速度，使其消除低軌道受力平衡狀態(tài)，促其進(jìn)入高軌道中。但是，到達(dá)預(yù)設(shè)軌道后，通過萬有引力公式可知，航天器進(jìn)入高軌道時(shí)會(huì)使萬有引力減小，所以為確保受力平衡，應(yīng)使運(yùn)動(dòng)離心力與軌道萬有引力一致。

此種條件下，按照能量守恒定律可進(jìn)行以下計(jì)算：

在（1）式和（2）式中，G—引力常量;r—航天器與地心距離;M—地球質(zhì)量。隨著航天器與地心距離持續(xù)增大，會(huì)減小航天器線速度。以此證明，航天器進(jìn)入高軌道之后，需要通過反向發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)減速，確保航天器處于受力平衡狀態(tài)。

（2）調(diào)整航天器姿態(tài)：從天宮一號(hào)與神舟飛船對(duì)接直播視頻能夠看出，操作顯示器上存在兩條十字交叉線，該交叉線主要對(duì)天宮一號(hào)與神舟飛船對(duì)接姿態(tài)標(biāo)準(zhǔn)線進(jìn)行觀察。操作人員通過對(duì)準(zhǔn)十字交叉線中心，之后啟動(dòng)飛船發(fā)動(dòng)機(jī)，以此促進(jìn)飛船滾動(dòng)，使兩個(gè)十字交叉線重合。

姿態(tài)匹配效果，會(huì)對(duì)天宮一號(hào)與神舟飛船對(duì)接造成直接影響;所以，操作人員需要優(yōu)化調(diào)整航天器滾動(dòng)姿態(tài)。為降低燃料消耗量，需經(jīng)航天器中心發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行開動(dòng)連線，使發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向相反，此時(shí)將航天器視為質(zhì)點(diǎn)，按照力矢量合成能明確角加速度。航天器按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向形成線速度，在十字交叉線靠近預(yù)定狀態(tài)。

飛船在滾動(dòng)至一定角度時(shí)，會(huì)使航天器兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)反向開啟。此時(shí)，就會(huì)形成與旋轉(zhuǎn)線速度相反的線加速度，降低航天器線速度。在兩條十字交叉線重疊之后，操作人員進(jìn)行天宮一號(hào)與神舟飛船對(duì)接。

2.4宇航服中的高中物理知識(shí)應(yīng)用

由于太空屬于真空環(huán)境，人類若無防護(hù)措施，將不能存在于太空中，所以為確保宇航員安全，進(jìn)入太空時(shí)需穿戴專門的宇航服，在設(shè)計(jì)宇航服時(shí)應(yīng)用了大量高中物理學(xué)知識(shí)。宇航服首層為特殊材質(zhì)功能層，由于太空環(huán)境比較復(fù)雜，為了確保宇航員安全，應(yīng)當(dāng)確保防輻射和防磨損。在太空環(huán)境中存在多種輻射源，會(huì)危害宇航員安全。所以，在設(shè)計(jì)宇航服時(shí)，需要將鍍鋁材料作為首層材料，以此抵抗宇宙輻射。

宇航服第二層是氣密層，宇航員在無防護(hù)狀態(tài)下進(jìn)入太空環(huán)境時(shí)，會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)氣體膨脹，肌體血液出現(xiàn)沸騰。因此，在設(shè)計(jì)宇航服時(shí)，需通過加壓氣密方法穩(wěn)定其內(nèi)部氣壓。在氣密層約束下，確保宇航服不會(huì)因氣壓差出現(xiàn)變形。

宇航服第三層為隔熱層，由于太空環(huán)境內(nèi)溫度差會(huì)高達(dá)上百攝氏度，不同位置所受的太陽輻射也不同，此時(shí)就會(huì)加大溫度差。為處理該項(xiàng)問題，可通過高中物理中的水比熱容知識(shí)穩(wěn)定溫度變化，以此確保宇航員能夠在適宜溫度下進(jìn)行操作。

3.結(jié)束語

綜上所述，將高中物理知識(shí)應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域，可以有效處理各種疑難問題。通過對(duì)航空航天知識(shí)的深入探索，會(huì)涉及較多更深的物理專業(yè)知識(shí)，以此提升高中生對(duì)物理知識(shí)的興趣度;其次，將高中物理知識(shí)應(yīng)用于航空航天上，能夠培養(yǎng)同學(xué)們的實(shí)踐操作能力，不斷完善和優(yōu)化物理知識(shí)體系。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]黃澤遠(yuǎn).高中物理知識(shí)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用探究[J].科技視界，2018，25（34）：228-230