淺析飛船變軌的物理原理

漆一駿

摘要：我國(guó)的航天事業(yè)起步晚，發(fā)展迅速，目前有些技術(shù)已位于世界前列。航天事業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)軍事、經(jīng)濟(jì)、政治等領(lǐng)域意義重大。本文從物理的角度來(lái)論述飛船變軌的原理。

關(guān)鍵詞：向心力;萬(wàn)有引力;飛船變軌;動(dòng)能;勢(shì)能;圓周運(yùn)動(dòng)

我國(guó)的航天事業(yè)起始于上世紀(jì)50年代。起步雖晚但發(fā)展迅速，目前我國(guó)已是航天大國(guó)。期間有一大批為航天事業(yè)奉獻(xiàn)終生的科學(xué)家，如錢(qián)學(xué)森、任新民、陳芳允等人。錢(qián)學(xué)森先生的回國(guó)，更是推動(dòng)了中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展。他也被成為“中國(guó)航天之父”?！皟蓮椧恍恰弊屇贻p的共和國(guó)挺起了脊梁。航天事業(yè)的發(fā)展還帶動(dòng)了周邊科技的發(fā)展，“副產(chǎn)品”也非常豐厚，促進(jìn)了科技向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。最近，神舟系列火箭的發(fā)射，更是實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)探索太空的飛天夢(mèng)想。為國(guó)防、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)，做出了重大貢獻(xiàn)。但是，我國(guó)航天事業(yè)在許多方面仍然不足，過(guò)度依賴(lài)國(guó)外技術(shù)，自主之路還有很長(zhǎng)的路要走。飛船的變軌是航空航天事業(yè)中的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。飛船運(yùn)行中為了躲避“太空垃圾”、與空間站對(duì)接、延長(zhǎng)使用壽命等，必須使用到變軌技術(shù)。飛船變軌有以下幾個(gè)要點(diǎn)：

一、飛船繞地勻速圓周運(yùn)動(dòng)的原理

飛船在地面以高于7.9km/s的速度發(fā)射之后，經(jīng)過(guò)一個(gè)升空和速度方向調(diào)整的過(guò)程，會(huì)逐漸進(jìn)入一個(gè)圓周軌道。此后，飛船就沿圓周軌道繞地心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。在勻速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候飛船幾乎可以無(wú)動(dòng)力飛行，只會(huì)消耗很少的能量。其所受萬(wàn)有引力提供做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。GMmr2=mv2r=mω2r=m4π2T2r。由此可知飛船的軌道半徑越大，它的線速度、角速度越小，它的周期越大。已知萬(wàn)有引力常量G=6.67259×1011Nm2/kg2，地球質(zhì)量為M=5.965×1024kg，地球半徑為6371393米，如果飛船離地高度為10000千米，則可知飛船速度為v=4.9×103ms，離地高度為20000千米時(shí)，飛船速度為v=3.9×103ms。

二、飛船變軌的種類(lèi)及其實(shí)現(xiàn)

（一）飛船由低軌道變到高軌道

飛船在較低軌道運(yùn)行時(shí)，并非是理想的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。會(huì)受到各種阻力，如果沒(méi)有動(dòng)力，飛船的線速度會(huì)逐漸減低，大約為每天降低100米每秒。隨著線速度的逐漸降低，所需向心力逐漸減小，必然引起運(yùn)行軌道的逐漸降低，最終要墜向地球，不過(guò)這個(gè)減少是一個(gè)緩慢的漸變過(guò)程。為了延長(zhǎng)飛船的飛行時(shí)間，飛船要在外力作用下，變到較高的軌道。如果要變到較高的軌道，飛船需要點(diǎn)火加速。點(diǎn)火過(guò)程中，燃料被向后噴出，飛船受到一個(gè)向前的反沖作用力，在力的作用下，飛船加速。在反沖過(guò)程中火箭和燃料的系統(tǒng)動(dòng)量守恒。飛船加速后，其所受萬(wàn)有引力不足以提供其圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，飛船將做離心運(yùn)動(dòng)。飛船由較低軌道變向較高軌道。在此過(guò)程中由于點(diǎn)火，飛船的機(jī)械能增加。向外運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，飛船的引力勢(shì)能增加，動(dòng)能減少。最后飛船在較高的軌道勻速運(yùn)行，此時(shí)的線速度小于低軌道的線速度。

（二）飛船由高軌變到低軌

由于要躲避障礙物或者要人工收回，在較高軌道運(yùn)行的飛船，需要調(diào)整到較低軌道。人工收回飛船可以選擇自然降軌，也可以選擇點(diǎn)火減速降軌。自然降軌優(yōu)點(diǎn)是不需要消耗大量的能量，缺點(diǎn)是降軌速度慢，時(shí)間長(zhǎng)。人工降軌是在飛船飛行過(guò)程中向運(yùn)動(dòng)方向噴出燃?xì)?，由于反沖作用，飛船獲得一個(gè)反向沖量，速度減小，所需向心力減小。此時(shí)萬(wàn)有引力大于飛船運(yùn)行所需要的向心力，飛船不能繼續(xù)做無(wú)動(dòng)力的運(yùn)輸圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)而做近心運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)降軌。人工降軌的優(yōu)點(diǎn)是降軌速度快，所需時(shí)間少，缺點(diǎn)是消耗能量比較多。降軌過(guò)程中飛船的動(dòng)能增大，引力勢(shì)能減少。根據(jù)不同情況，可以選擇不同的降軌方式。

（三）霍曼轉(zhuǎn)移軌道

費(fèi)曼轉(zhuǎn)移軌道是1925年由德國(guó)工程師奧爾特·霍曼提出。最大化的利用了引力的能量，在平面內(nèi)經(jīng)過(guò)兩次加速，實(shí)現(xiàn)由低高度的勻速圓軌道，先進(jìn)入橢圓軌道的最低點(diǎn)，然后在引力的作用下，進(jìn)入橢圓變速軌道的最高點(diǎn)。然后，在橢圓變速軌道的最高點(diǎn)二次點(diǎn)火加速，使飛船由橢圓軌道進(jìn)入外圓勻速圓軌道。費(fèi)曼轉(zhuǎn)移軌道是最節(jié)約能源的軌道，適合長(zhǎng)期服役的衛(wèi)星使用。但是霍曼轉(zhuǎn)移軌道消耗時(shí)間比較長(zhǎng)，飛船變軌一般不會(huì)采取這種變軌方式。

我們是社會(huì)主義接班人，科技強(qiáng)國(guó)的歷史責(zé)任責(zé)無(wú)旁貸。作為一名高中生，努力學(xué)好科學(xué)文化知識(shí)，為將來(lái)報(bào)效祖國(guó)打下基礎(chǔ)。只要齊心協(xié)力，一定能實(shí)現(xiàn)科技興國(guó)，科技強(qiáng)國(guó)。

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