浅析飞船变轨的物理原理

来源: 发布时间:2019-07-12 08:58:54

  摘要:我国的航天事业起步晚,发展迅速,目前有些技术已位于世界前列。航天事业的发展对我国军事、经济、政治等领域意义重大。本文从物理的角度来论述飞船变轨的原理。

  关键词:向心力;万有引力;飞船变轨;动能;势能;圆周运动

  我国的航天事业起始于上世纪50年代。起步虽晚但发展迅速,目前我国已是航天大国。期间有一大批为航天事业奉献终生的科学家,如钱学森、任新民、陈芳允等人。钱学森先生的回国,更是推动了中国航天事业的发展。他也被成为“中国航天之父”。“两弹一星”让年轻的共和国挺起了脊梁。航天事业的发展还带动了周边科技的发展,“副产品”也非常丰厚,促进了科技向生产力的转化。最近,神舟系列火箭的发射,更是实现了人类探索太空的飞天梦想。为国防、经济、社会,做出了重大贡献。但是,我国航天事业在许多方面仍然不足,过度依赖国外技术,自主之路还有很长的路要走。飞船的变轨是航空航天事业中的一个技术环节。飞船运行中为了躲避“太空垃圾”、与空间站对接、延长使用寿命等,必须使用到变轨技术。飞船变轨有以下几个要点:

  一、飞船绕地匀速圆周运动的原理

  飞船在地面以高于7.9km/s的速度发射之后,经过一个升空和速度方向调整的过程,会逐渐进入一个圆周轨道。此后,飞船就沿圆周轨道绕地心做匀速圆周运动。在匀速圆周运动的时候飞船几乎可以无动力飞行,只会消耗很少的能量。其所受万有引力提供做匀速圆周运动的向心力。 。由此可知飞船的轨道半径越大,它的线速度、角速度越小,它的周期越大。已知万有引力常量 ,地球质量为 ,地球半径为6371393米,如果飞船离地高度为10000千米,则可知飞船速度为 ,离地高度为20000千米时,飞船速度为 。

  二、飞船变轨的种类及其实现

  (一)飞船由低轨道变到高轨道

  飞船在较低轨道运行时,并非是理想的匀速圆周运动。会受到各种阻力,如果没有动力,飞船的线速度会逐渐减低,大约为每天降低100米每秒。随着线速度的逐渐降低,所需向心力逐渐减小,必然引起运行轨道的逐渐降低,最终要坠向地球,不过这个减少是一个缓慢的渐变过程。为了延长飞船的飞行时间,飞船要在外力作用下,变到较高的轨道。如果要变到较高的轨道,飞船需要点火加速。点火过程中,燃料被向后喷出,飞船受到一个向前的反冲作用力,在力的作用下,飞船加速。在反冲过程中火箭和燃料的系统动量守恒。飞船加速后,其所受万有引力不足以提供其圆周运动的向心力,飞船将做离心运动。飞船由较低轨道变向较高轨道。在此过程中由于点火,飞船的机械能增加。向外运动的过程中,飞船的引力势能增加,动能减少。最后飞船在较高的轨道匀速运行,此时的线速度小于低轨道的线速度。

  (二)飞船由高轨变到低轨

  由于要躲避障碍物或者要人工收回,在较高轨道运行的飞船,需要调整到较低轨道。人工收回飞船可以选择自然降轨,也可以选择点火减速降轨。自然降轨优点是不需要消耗大量的能量,缺点是降轨速度慢,时间长。人工降轨是在飞船飞行过程中向运动方向喷出燃气,由于反冲作用,飞船获得一个反向冲量,速度减小,所需向心力减小。此时万有引力大于飞船运行所需要的向心力,飞船不能继续做无动力的运输圆周运动,转而做近心运动,实现降轨。人工降轨的优点是降轨速度快,所需时间少,缺点是消耗能量比较多。降轨过程中飞船的动能增大,引力势能减少。根据不同情况,可以选择不同的降轨方式。

  (三)霍曼转移轨道

  费曼转移轨道是1925年由德国工程师奥尔特·霍曼提出。最大化的利用了引力的能量,在平面内经过两次加速,实现由低高度的匀速圆轨道,先进入椭圆轨道的最低点,然后在引力的作用下,进入椭圆变速轨道的最高点。然后,在椭圆变速轨道的最高点二次点火加速,使飞船由椭圆轨道进入外圆匀速圆轨道。费曼转移轨道是最节约能源的轨道,适合长期服役的卫星使用。但是霍曼转移轨道消耗时间比较长,飞船变轨一般不会采取这种变轨方式。

  我们是社会主义接班人,科技强国的历史责任责无旁贷。作为一名高中生,努力学好科学文化知识,为将来报效祖国打下基础。只要齐心协力,一定能实现科技兴国,科技强国。

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