精確計算 科學(xué)變軌

2007年月10月24日18時，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運(yùn)載火箭將“嫦娥一號”衛(wèi)星成功送入太空。“嫦娥一號”先繞地球作橢圓軌道運(yùn)動，經(jīng)過四次變軌，于10月31日成功轉(zhuǎn)入日月轉(zhuǎn)移軌道，直奔月球。11月5日，月球?qū)⒄綋肀碜灾袊摹靶攀埂保?中國“嫦娥一號”將成為一顆真正的“月球衛(wèi)星”。經(jīng)過第二次、第三次的制動，嫦娥一號衛(wèi)星繞月運(yùn)行的橢圓軌道將逐步變成周期為127min、軌道高度200km的環(huán)月圓形軌道！11月7日， 中國“嫦娥一號”繞月探測衛(wèi)星完成第三次近月制動，衛(wèi)星正式進(jìn)入科學(xué)探測的“工作崗位”，這是我們偉大祖國的榮耀！是中國人的自豪！“嫦娥”一飛沖天，舉國歡騰，我們與學(xué)生一起觀看了嫦娥一號發(fā)射、變軌、遨游的全過程，其間不僅蘊(yùn)藏著豐富的物理知識，更體現(xiàn)了中國人的航天精神。

1 精確計算 科學(xué)變軌

嫦娥一號衛(wèi)星上共裝有13臺各種發(fā)動機(jī)，對衛(wèi)星進(jìn)行變軌、維持和姿態(tài)控制。這些推力大小不同的發(fā)動機(jī)，分布在嫦娥一號衛(wèi)星的不同部位，就像嫦娥的“船槳”，既可控制嫦娥的軌道姿態(tài)，也可控制嫦娥的速度。嫦娥一號衛(wèi)星整個變軌過程如圖1所示，下面就從物理學(xué)知識的角度來分析嫦娥一號衛(wèi)星變軌運(yùn)行的全過程。

1.1 嫦娥一號繞地飛行

嫦娥一號衛(wèi)星要脫離地球的引力，就必須不斷加速，最終逃離地球吸引直奔月球軌道。在這個過程中要經(jīng)過四次變軌，最后脫離地球的引力進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。

1.1.1 第一次變軌(遠(yuǎn)地點變軌)

嫦娥一號衛(wèi)星在第一次變軌前是在如圖1所示的橢圓軌道上運(yùn)行，其近地點為200km，遠(yuǎn)地點為5 100km，周期為16h。其實我們可以根據(jù)這些相關(guān)的數(shù)據(jù)算出衛(wèi)星運(yùn)行的周期。由開普勒定律知道，衛(wèi)星作橢圓軌道的運(yùn)行周期等于以半長軸為半徑的圓軌道的運(yùn)行周期。設(shè)地球半徑為R，地球質(zhì)量為M，半長軸為r，其具體計算如下：

第一次變軌是在遠(yuǎn)地點進(jìn)行的，如圖1中的A點進(jìn)行變軌。嫦娥一號衛(wèi)星的首次變軌之所以選擇在遠(yuǎn)地點實施，是為了抬高衛(wèi)星近地點的軌道高度，通過第一次的成功變軌使衛(wèi)星的近地點距離從200km抬高到600km，使衛(wèi)星處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖1中的2軌道。我們也可計算出變軌后的嫦娥一號衛(wèi)星在2橢圓軌道運(yùn)動的周期，計算方法如下：

1.1.4 第四次變軌（近地點變軌）

實現(xiàn)第四次變軌衛(wèi)星遠(yuǎn)地點高度由12萬余km提高到37萬余km，進(jìn)入114h地月轉(zhuǎn)移軌道，嫦娥一號衛(wèi)星逃離地球直奔地月轉(zhuǎn)移軌道。

1.2 嫦娥一號地月大轉(zhuǎn)移——地月轉(zhuǎn)移軌道

嫦娥一號衛(wèi)星進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，開始奔月之旅。在飛行途中，對衛(wèi)星的飛行軌道進(jìn)行精確的測量和計算，并實施了一次軌道修正，以確保被月球俘獲。地月轉(zhuǎn)移軌道的入口點是指第三次近地點變軌時發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)時的空間位置。根據(jù)地月的時空關(guān)系，只有在這個點進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，嫦娥一號衛(wèi)星才能按時與月球相會。否則，將會出現(xiàn)與月球“擦肩而過”或撞擊月球的情況。如果說入口點的選擇是為了準(zhǔn)時與月球“相會”，那么出口點設(shè)計的目標(biāo)就是與月球“相會”后，衛(wèi)星能在距月球表面200km時進(jìn)行第一次剎車制動，進(jìn)入12h周期的繞月大橢圓軌道。

1.3 嫦娥一號繞月飛行

1.3.1 第一次近月點制動——繞月大橢圓軌道運(yùn)動

11月5日，嫦娥一號衛(wèi)星首次飛達(dá)近月點。此時，衛(wèi)星首次“剎車”減速，以確保被月球引力捕獲，成為一顆月球衛(wèi)星。此時嫦娥一號衛(wèi)星進(jìn)入周期12小時的月球極軌大橢圓軌道，成為一顆真正的月球衛(wèi)星。我們繼續(xù)可以通過相關(guān)的數(shù)據(jù)計算出嫦娥一號在繞月大橢圓軌道上運(yùn)行的周期。設(shè)月球半徑為R，衛(wèi)星近月點高度200km，遠(yuǎn)月點高度8 600km，月球質(zhì)量為M，半長軸為r，月球表面的重力加速度為g6，其具體計算如下：

1.3.3 第三次近月點制動——繞月圓軌道運(yùn)行

11月7日，在經(jīng)過第三次近月點制動后，嫦娥一號衛(wèi)星將進(jìn)入200km高度、周期127min的極月圓形軌道，這也是我國科研人員為嫦娥一號精心選定的“工作崗位”。其運(yùn)行周期計算如下：

2 “嫦娥一號”與科學(xué)精神

科學(xué)精神是人類在追求真理過程中所創(chuàng)造的，表現(xiàn)為世界觀和方法論。科學(xué)的發(fā)展過程，深深地蘊(yùn)涵著人文精神和科學(xué)精神。中學(xué)的物理教育有培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的重要任務(wù)。科技不僅創(chuàng)造人類文明，而且推動社會的發(fā)展。作為自然科學(xué)的一門重要學(xué)科，物理學(xué)歷來都是推動人類文明發(fā)展的動力；作為人類追求真理、探索未知宇宙奧秘的有力工具，物理學(xué)又是一種哲學(xué)觀和方法論。在人類文明發(fā)展的漫長歲月中，這門古老而又生機(jī)的學(xué)科為我們樹立了一座又一座卓越的里程碑。科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，誰在知識和科技創(chuàng)新上占有優(yōu)勢，誰就能在發(fā)展上占有主導(dǎo)地位。因此我們應(yīng)大力實施科教興國戰(zhàn)略，把科技教育擺在優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略地位。

無垠的太空是人類永恒的財富。發(fā)展航天探月工程是人類開發(fā)和利用太空資源的有益嘗試。我們中國人正是發(fā)揚(yáng)了“兩彈一星”精神和航天精神，嫦娥一號繞月衛(wèi)星的發(fā)射才取得了圓滿成功！嫦娥探月工程，不僅是民族智慧、經(jīng)濟(jì)實力、綜合國力的重要體現(xiàn)，也大大地促進(jìn)我國生產(chǎn)力的發(fā)展，提高我國的國際威望。當(dāng)今世界，一個沒有用科學(xué)精神武裝的民族是愚昧的民族，是注定要挨打的民族。從第一顆原子彈、第一枚導(dǎo)彈、第一顆人造地球衛(wèi)星到第一艘“神舟”飛船，從神舟五和神舟六號載人飛船的成功發(fā)射到嫦娥一號探月的成功發(fā)射，中國航天事業(yè)總是以“勇于攀登”、不斷進(jìn)取的精神，一步步邁向航天科學(xué)技術(shù)的巔峰。

（欄目編輯羅琬華）

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