高中物理知識在航空航天中的應用實例分析

摘要：近十幾年來，隨著我國航天事業的快速崛起，神州系列飛船及嫦娥系列衛星的成功發射，國人的航天夢正在穩步向前邁進。在我國航天事業蓬勃發展的同時，航空航天相關的熱點話題在高考中體現的越來越明顯。這也體現了物理知識在科技發展、生活應用等方面的實踐要求。為此我想就萬有引力定律在天體運動中的綜合應用、天體運動中功和能方面來展開我理解的航空航天應用中的物理問題。

關鍵詞：高中物理；航空航天；實例分析

基于科學技術的不斷進步，我國在諸多科研領域取得了一系列的成果，尤其是以航空航天方面的發展最具有代表性，自神舟系列飛船的發射成功，我國在航空航天領域和歐美發達國家之間的差距不斷縮小。作為一名高中生，除了對我國航空航天技術研究取得的成果感到自豪以外，也需要深入了解其中的科學知識，與高中各學科之間建立更加緊密的聯系。作為與航空航天研究較為密切的物理學科來說，高中階段物理學中的力學等知識點能夠解答一些較為基礎的現象。

一、高中物理知識與航空航天技術的聯系

人類對于天文方面的研究自很早以前就開始了，并且，天文學對人類文明發展的重要性不斷增加，基于天體運行規律的24節氣就由此而來，我國著名天文學家、科學家張衡的渾天儀就是古代人們研究天文學知識的偉大成果。然而，為了深入探究天文學知識，人類曾試著通過各種方式進入太空，經過無數次的試驗之后，人類已經掌握了多種進入太空的方式。

眾所周知，進入太空需要擺脫地球引力的作用，從高中物理知識體系中的萬有引力定律可以發現，這種來自地球的力量是強大的，以當前我國所使用的運載火箭為例，則需要使用大量的燃料才能夠將一定質量的人和物質運送到太空之中。不僅如此，在航空航天的具體實施過程中，還需要對發射時間、地點等相關要素進行分析，運用物理學知識，保證運載火箭能夠沿著預定軌跡進入指定高度的運行軌道。

二、高中物理學知識在航空航天中的應用實例

在航空航天領域，為實現運載火箭、在軌衛星或在軌飛行器的正常工作，使用到了大量的物理學知識，其中就包括我們在高中階段所學的物理知識體系。

1.在軌飛行器的變軌

受地球引力的作用，經過長時間的在軌飛行之后，飛行器的高度將無法持續保持，運行軌道的近地點高度不斷下降，如不加以控制，則會導致飛行器墜入大氣層而燒毀。為避免這一悲劇的發生，研究人員在飛行器的各個位置安裝了多個火箭發動機，根據當前飛行器的姿態，分析進入調整軌道過程中各個方向所需要的力的大小，選擇與之相適應的火箭發動機點火，進而維持飛行器的軌道穩定，或者是進入新的軌道。

這里需要注意的是，多個火箭發動機所產生的力具有矢量特性，為最大限度的減少對能源的浪費，則需要采取最佳的火箭點火方案，使其能夠反向抵消地球的萬有引力作用。

2.地球同步衛星中的物理知識

所謂地球同步衛星，是指與地球運轉角速度相同的衛星，為實現對固定區域的持續性監測，人們在眾多衛星運行軌道中發現了一種較為特殊的軌道，這就是地球同步運行軌道，在這一軌道上的衛星，也就稱為地球同步衛星。

根據萬有引力定律進行計算，地球同步衛星的軌道高度約為3.6×107米，并且，這一高度與衛星的質量沒有任何關系。除了高度固定外，地球同步衛星的運行軌道與赤道為同心圓環，為實現地球同步衛星的正常運行，依據高中物理中的相關力學知識，則需要注意以下幾個方面的問題。

首先，地球同步軌道衛星的運行方向與地球自轉方向相同；

其次，在軌道傾角方面，地球同步維修的軌道傾角為0°；

第三，由于地球同步衛星軌道較高，因此，在發射過程中為減少燃料的攜帶量，則多采取二次變軌的方式進行調整，當衛星由運載火箭送入太空后，應當進入一級停泊軌道，其遠地點Q距離地面的距離也就是3.6×107米，在Q點加開火箭發動機，實現萬有引力、火箭助推力的平衡，并進入地球同步衛星軌道。

由于地球同步衛星軌道僅有一個，所以，隨著地球同步衛星數量的增加，地球同步軌道資源也在不斷縮減，這對于掌握同步軌道衛星發射技術的國家來說無疑是一個優勢。

3.《火星救援》中的太空對接問題

人類探索太空的足跡正在逐漸延伸，作為距離地球較遠的火星，人類已經制定了登陸計劃，而在相關科幻電影中，就對此進行了描述。2015年較為著名的《火星救援》就是以此為題材，其中部分場景中的所使用到的高中物理學知識也讓我們記憶深刻。

當科研小組返回火星救援馬克時，科研小組組長采取空中對接方案時，由于馬克所乘坐航空器燃料有限，在火星引力的作用下無法達到指定高度，因而與科研小組乘坐的飛船存在軌道高度差，根據萬有引力定律可以明確，馬克在地軌道的線速度要大于高軌道飛船的線速度，以飛船為參照物的情況下，馬克相對于飛船的速度已經達到了42米/秒，在這樣的情況下，則無法進行人工對接。為保證飛船返回所需燃料，組長采取了爆破尾艙，利用大氣壓強的方式降低自身速度，從而實現飛船變軌，從而完成與馬克完成近距離低速對接。

這里需要解釋的是，當在軌飛行器的線速度降低后，將受到萬有引力的作用降低軌道，在降低的過程中，其速度也會不斷增加，但是，這一增加量卻不足以使其穩定在某一軌道上，除非提供新的線速度增量，否則，飛行器將會墜毀。

三、總結

物理知識源于人們對生活中各種現象的總結，屬于應用性較強的學科之一，航空航天技術的發展為我國經濟建設與國防建設方面提供了重要保障，作為高中生的我們，應當努力學習物理知識，加深對物理學科的認識，在完善自身物理知識體系的同時，具備使用物理學知識解釋航空航天中各種現象的能力，甚至為我國航空航天事業發展貢獻自己的力量。

參考文獻：

[1]航天領域涉及的高中物理知識探究[J].熊夢飛.科學咨詢（教育科研）.2018 （02）

[2]高中物理知識在生活中的應用分析[J].張海扶.科技風.2018 （13）

[3]萬有引力與航天高考問題探析[J].陶漢斌，樓松年.中學教學參考.2015 （26）

作者簡介：王鶴潼，女，漢族，籍貫：遼寧，沈陽實驗中學學生。