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物理论文

来源:未知 编辑:admin 时间:2017-07-13

物理小论文

论述“嫦娥一号”奔月的主要过程

及其中的物理学原理

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高彬彬

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“嫦娥一号”奔月的主要过程

及其中的物理学原理

【摘要】 2007年10月24日中国首颗探月卫星“嫦娥一号”成功发射,标志着我国的航天事业和深空探测又向前迈进一大步。本文通过引用准确的数据和详细的资料对“嫦娥一号”卫星奔月的过程进行了阐述,并运用万有引力定律、开普勒第二定律、圆周运动、牛顿运动定律、动量守恒定律等物理学原理对卫星奔月过程进行了分析。

【正文】

1“嫦娥一号”奔月的主要过程 1.1简介

“嫦娥一号”卫星发射后首先被送入一个椭圆形地球同步轨道,这一轨道离地面最近距离为200公里,最远为5.1万公里,探月卫星将用16小时环绕此轨道一圈后,通过加速再进入一个更大的椭圆轨道,距离地面最近距离为500公里,最远为12.8万公里,需要48小时才能环绕一圈。此后,探测卫星不断加速,开始“奔向”月球,大概经过114小时的飞行,在快要到达月球时,依靠控制火箭的反向助推减速。在被月球引力“俘获”后,成为环月球卫星,最终在离月球表面200公里高度的极月圆轨道绕月球飞行,开展拍摄三维影像等工作。卫星奔月总共需时114个小时,距离地球接近38.44万公里。

1.2升空

2007年10月24日18时05分,“嫦娥一号”探月卫星在长征三号甲运载火箭搭载下升空,成功地进入环绕地球的预定轨道(即16小时轨道)。

1.3环绕地球运行

(1)第一次变轨。 25日17时55分,北京航天飞行控制中心向在太空飞行的“嫦娥一号”卫星发出变轨指令,指令发出130秒后,卫星近地点高度由约200公里抬高到约600公里,变轨圆满成功。这次变轨是“嫦娥一号”卫星在约16小时周期的大椭圆轨道上运行一圈半后,在第二个远地点时实施的。

(2)第二次变轨。26日17时33分,开始实施第二次变轨,这是卫星的第一次近地点变轨。北京飞控中心向在太空飞行了3圈处于近地点的“嫦娥一号”卫星发送了高精度控制指令,卫星主发动机准时点火,使卫星进入24小时周期

椭圆轨道,远地点高度由5万多电工技术论文公里提高到7万多公里。这次变轨为卫星在预定

时间到达设计的地月转移入口点创造了条件。

(3)第三次变轨。29日18时01分,“嫦娥一号”卫星成功实施第三次变轨,这也是卫星入轨后的第二次近地点变轨。“嫦娥一号”卫星在24小时轨道飞行第3圈时,远望三号测量船在近地点顺利发现目标,把相关数据传送到北京航天飞行控制中心,同时把有关指令发至“嫦娥一号”卫星。实行这次近地点变轨后,卫星由24小时周期轨道进入48小时周期椭圆轨道,远地点高度将由7万多公里提高到12万多公里。

1.4实现绕地、月转移

31日17时15分,“嫦娥一号”卫星接到指令,发动机工作784秒后,正常关机。17时28分“嫦娥一号”在48小时周期轨道上运行1圈后,成功实施第三次近地点变轨,顺利进入地、月转移轨道,开始飞向月球。这也是卫星入轨后的第四次变轨。进入地、月转移轨道后,“嫦娥一号”卫星在地月转移轨道只进行了一次中途修正,就直飞月球捕获点。

1.5环绕月球运行

(1)第一次制动。11月5日11时37分,北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星成功实施了第一次近月制动,顺利完成第一次“太空刹车”动作,月球捕获卫星,卫星成功进入12小时绕月椭圆轨道。这次制动的目的是,降低“嫦娥一号”卫星的飞行速度,以防逃逸月球。

(2)第二次制动。11月6日11时35分,北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星成功实施了第二次近月制动,卫星顺利进入周期为3.5小时的环月小椭圆轨道。第二次近月制动主要目的是使“嫦娥一号”进一步降低飞行速度,使

其进入“过渡”轨道,从而为卫星最终进入工作轨道做准备。

(3)第三次制动。11月7日8时24分,“嫦娥一号”卫星主发动机点火,实施第三次近月制动。8时35分,“嫦娥一号”卫星主发动机关机,第三次近月制动结束。“嫦娥一号”卫星从近月点高度212公里、远月点高度8617公里的椭圆轨道,成功调整到周期127分钟、高度200公里的极月圆圆形轨道,从而正式进入科学探测的工作轨道。

至此,“嫦娥一号”经过长途跋涉,耗时13天14小时30分钟终于成为月球的一颗“人造卫星”。

“嫦娥一号”奔月的主要过程

2“嫦娥一号”飞行过程涉及到的主要物理原理

2.1升空过程中的物理原理

在 “长三甲”运载火箭将“嫦娥一号”送入太空的过程中,要求其发射速度至少到第一宇宙速度及最小发射速度:

v^2/r=g=>v=a√gr=√(9.8*6.4)≈7.9(km/h) 只有这样才能保证“嫦娥一号”不至被火箭“抛出”后落回地面。

运载火箭上升过程中所遵从的物理原理是动量定理及动量守恒定律(近似情况下,可视整个系统的动量守恒)

Ft=mv′-mv=p′-p

m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′

即火箭在氢气燃料燃烧后向下喷出火焰所施加的持续反冲力作用下,加速上升,由于“长三甲”是捆绑式分级火箭,每当抛出一级火箭后,整个运载火箭的质量就大大减小,这样就能获得更大的加速度,直至将“嫦娥一号”的速度提升到发射速度。

根据牛顿第二定律:F=ma,物体在一定力的作用下,其的质量越小,所能获得的加速度就越大。

火箭在大气层内运动的过程中,与大气的摩擦力很大,摩擦力做功会使大量的机械能转化为热能,导致火箭表面的温度极高。因此,火箭、卫星外层要用由耐高温材料制作的防护罩来保护。

2.2环绕地、月运行过程中所遵从的物理原理

“嫦娥一号”在环绕地、月运行过程中,分别以地球与月球所施加的万有引力为其做圆周运动的向心力,飞行的高度不同,其运行的速度不同。

(G=6.67259×10^-11N?m^2/kg^2) F=ma=mv^2/(r+h) =>v=(GM/(r+h))^1/2

根据开普勒第二定律(在椭圆轨道上,行星与所绕天体的连线(矢径r),在单位时间内,扫过相同面积),在近地、月点运行的速度快,而在远地、月点运行的速度慢(即卫星离地、月的距离越远其运行的速度就越小)。

在“嫦娥一号”数次变轨(绕地、月)的过程中,由于其距离地、月表面的高度不同,其绕行的速度也就不一样。

2.3绕地、月转移(由“绕地”向“绕月”转移和由“绕月”向“绕地”转移)过程中所遵从的物理原理

由于地球与月球的质量相差甚远,卫星要实现地、月之间的转移,就需要改变其运行的速度,否则就无法逃脱地球或月球的吸引。

参考文献

[1]欧阳自远.中国月球探测的起步、发展与前景. Newton科学世界2007年第11期

[2]张三慧等.大学物理学.力学[M].北京:清华大学出版社

[3]中国大百科全书(航空、航天卷).北京:中国大百科全书出版社,1995

[4]物理学原理在工程技术中的应用(第二版).高等教育出版社

[5]苟秉聪 胡海云 大学物理(第二版).国防大学出版社



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