天宮啟程之太空之吻

郭奇花

(北京市延慶一中 北京 102100)

天宮一號于2011年9月29日21:16:03發射成功，標志著我國的航天事業上了一個新的臺階．

天宮一號的發射，與前幾次發射神舟號宇宙飛船類似，先由長征二號FT1火箭運載，然后與火箭脫落，經兩次變軌進入高度約為350 km的近圓軌道進行在軌測試.它的最大特點是：神八發射前，天宮一號降軌至高度約343 km的近圓軌道進行“太空之吻”,即等待交會對接．

交會對接是兩個過程，交會是指兩個航天器靠近的過程．相當于兩個人的約會；對接是指它們“相會”后，通過專門的對接機構將兩個航天器連接成一個整體，相當于太空之吻．但它們的表現行為不同，一個是主動的，另一個是被動的．被動的航天器稱為“目標航天器”，如“天宮一號”，它被首先發射到太空，之后一直處于自己的運行軌道，它的任務是等待另一個航天器與它“相會”． 另一個是主動航天器，也稱為“追蹤航天器”，如后續發射的“神舟”八號、“神舟”九號飛船．

要使對接順利完成，兩個航天器的軸線必須在同一條直線上，并且相對速度要接近零．因為兩個航天器的實際飛行速度都非常大．設其軌道運行速度為v,則根據萬有引力定律可得

GM=gR2

得

v≈7.79×103m/s=28 040 km/h

所以對接難度非常大，兩個航天器軌道的控制必須相當的精準，航天器相撞時的橫向偏差不能超過0.1 m．

為了使兩個航天器在同一軌道對接，不能像地面上的相遇問題一樣，將二者先發射到同一個軌道，然后飛船去追天宮一號，因為一旦加速，原來軌道上的萬有引力不變，但所需向心力增大，飛船會離心而無法與天空一號對接，可有兩種對接方式，即飛船先在低軌道上運行，運行到適當位置，再加速到一個橢圓軌道，使飛船和天宮一號同時運行到兩軌道的相切點便可對接，如圖1(a)所示；另一種是先使飛船在高軌道上運行，然后在適當位置減速，使飛船做近心運動，使二者在軌道相切點對接，如圖1(b)所示．設無窮遠處為零勢能，運行半徑為r的航天器其勢能、動能和機械能如下

所以

圖1

由此可見，軌道越高，機械能越大，要發射上去越困難，所以實際中都采取前一種方式進行對接．對接過程也滿足動量守恒，假設天宮一號和神州八號飛船質量分別為M和m,對接前速度為v,對接后速度為v′，則有

Mv+mv=(M+m)v′v=v′

此時，機械能也守恒．