“天宮一號”飛行器發射的地理角度分析

【摘 要】“天宮一號”目標飛行器發射之所以能夠圓滿成功，本文從發射地點、火箭飛行方向、使用整流罩、進行變軌等四個方面進行了闡述。

【關鍵詞】飛行器；變軌；地理角度

北京時間2011年9月29日21時16分03秒，“天宮一號”在酒泉衛星發射中心發射升空，而后自西向東飛行，火箭飛行到210秒時整流罩分離，21時25分準確進入預定軌道，21時28分太陽能電池帆板展開，21時38分中國載人航天工程總指揮常萬全宣布，“天宮一號”目標飛行器發射圓滿成功。此次成功發射，不僅令國人振奮，同時也為我們地理教師提供了一份極為難得的教學素材。以下就從地理角度分析“天宮一號”發射中的四個“為什么”。

一、為什么選擇在酒泉發射

第一，建設早，設備全。酒泉衛星發射基地始建于1958年10月，是我國建設最早、規模最大的衛星發射中心，擁有現代化的、完整可靠的發射設施。

第二，日照時間長，發射機會多。酒泉衛星發射中心位于我國西北部，深居內陸，常年干燥少雨，屬內陸及沙漠性氣候。該地區年平均氣溫8.7攝氏度，相對濕度為35%—55%，春秋兩季短，冬夏兩季較長，一年四季多晴天，云量小，日照時間長，每年約有300天可以發射試驗。

第三，地勢平坦，著陸安全。該地區地勢平坦，人煙稀少，非常適合返回式衛星的著陸。對于載人航天器來說，這里的地勢有利于航天器的安全著陸，也有利于地面搜尋人員迅速到達航天器。因此，我國的“神舟”系列飛船都是從這里發射的。

二、為什么火箭自西向東飛行

從 “天宮一號”飛行器發射的報道中，我們注意到這樣一個細節，火箭發射后不久便開始向東飛行（見圖1）。火箭為什么自西向東飛行？

能不能自東向西飛行，或者說火箭飛行方向能不能隨意選擇？答案是否定的。這個方向也是科研人員精心設計的。在高中地理第一章地球的宇宙環境中涉及到地球運動的相關內容，這里主要運用了地理中的兩個知識點：其一，地球自轉方向是自西向東；其二，地球上任何地點都有其對應的線速度。在地球任一地點只有自西向東飛行，才能獲得該地點相應的線速度。

線速度的大小與該地的緯度有關，如圖2：圖中R地表示地球的半徑，r表示地球上某地緯線圈的半徑，θ表示地球上某地的緯度，l表示地球上某地的線速度。

r=R地·cosθ l=2πr·15/360=1/12πr=1/12πR地·cosθ

從上面的公式中可以看出，緯度越高，線速度越小；反之，線速度越大。酒泉的緯度大約為41°N，則cos41°≈0.755，

∵1/12πR地=1670 ∴l=1/12πR地·cosθ≈1670×0.755≈1260由此求出酒泉的線速度約為1260km/h。

火箭從酒泉衛星發射中心發射自西向東飛行，就直接獲得了約1260 km/h的初速度（V0），再加上火箭加速給予“天宮一號”的加速度（假設火箭是勻加速運動），則加速“天宮一號”的入軌速度（V入），即V入= V0+at。

由此可見，火箭自西向東飛行，可以充分利用當地的線速度，大大節省了火箭的燃料消耗。

三、為什么要使用整流罩

衛星整流罩主要起到保護衛星不受氣動力的作用；保護衛星不受氣動加熱的作用；當運載火箭處于臨射狀態時，可對整流罩內的溫度、濕度進行調節，以保證衛星不受低溫和環境的影響；保護罩內衛星不受各種煙霧環境的污染。

地球表面覆蓋著厚厚的大氣，包圍在地球的周圍，形成大氣圈。地球上的大氣由地面到高空，大氣的密度越來越稀薄。“天宮一號”從地面發射升空，高速穿越低層大氣，與大氣產生摩擦后表面溫度迅速升高，加上受氣動力等的影響，“天宮一號”的主體設備會造成損壞，因此要加整流罩來保護。

據探測，在離地120公里高度以上的空間，空氣密度已小到聲波難以傳播的程度。因此“天宮一號”飛行到210秒時整流罩分離，表明“天宮一號”已飛出低層大氣，整流罩的作用已完成，同時也為下一步“天宮一號”飛行器正常工作作好了準備。

四、為什么要進行變軌

北京時間9月30日凌晨1時58分，“天宮一號”成功實施了第一次變軌，使其遠地點高度由346公里抬高到355公里。北京時間9月30日16時09分，“天宮一號”成功實施第二次變軌，近地點高度由200公里抬升到362公里。經過兩次軌道控制，“天宮一號”已從入軌時的橢圓軌道進入自主運行的圓軌道（見圖3）。

飛行器為什么要變軌？主要原因有兩點：一是火箭不能把飛行器精確地送到工作軌道，需要通過飛行器變軌來調整到工作軌道；二是飛行器通過變軌，使橢圓軌道轉入到圓軌道。

“天宮一號”變軌進入圓軌道運行后，使飛行器和地球自轉形成一個相對固定的位置關系，便于地面設備的監測和控制；同時飛行器在圓軌道上飛行受力均等，有利于開展各種空間科學實驗，更重要的是便于與“神舟八號”實現交會對接。

（作者單位：江蘇省平潮高級中學）