“神舟飛天”與物理知識的聯想

汪銘暄

摘 要：文章堅持書本知識與實踐相結合，學以致用的原則，在學習物理知識的同時，聯系生活，生產和現代科技工作實際，從神舟飛船，載入航天的發射、運行、回收三個過程詳細分析具體環節中運用物理原理的情況。文章也展現了在改革開放以來，國家重視科學技術的研究，科研工作者艱辛攻關，使航天事業發展迅速，成績輝煌。

關鍵詞：航天工程；物理；萬有引力；書本知識與實踐相結合

最近，我們復習到高中物理教材的“萬有引力與航天”，不由得又聯想到“神舟”飛船的發射、運行和回收三個過程，所涉及到中學生學過的許多物理知識。現遵從理論聯系實際的原則，按飛船發射三個過程的順序，進行簡要闡述，以便促進自己養成學習書本知識聯系生活、生產和科技實際，學以致用的良好習慣。

一、發射過程

從電視畫面中我們會看到，當指揮員發出“點火”的指令后，巨型運載火箭噴射出一團橘紅色的烈焰，將火箭（含飛船）平地托起，直沖云天，此刻，飛船進入發射過程。

首先，想到火箭中燃燒的燃料應該是熱值很高的燃料。常用的燃料像煤、干木柴、汽油的熱值都比氫的熱值低許多，所以火箭要用氫來作燃料，而且是用液態的氫，所占空間體積才會很小，氫由氣態變成液態應該采取壓縮和降溫的辦法才可實現。在飛船的燃料箱中還應有液態的氧氣作為助燃劑。飛船升空的階段，氫不斷地燃燒，燃料的化學能轉化為燃氣的內能，內能再轉化為火箭的機械能。火箭升空的動力在于它本身，火箭向下噴出高速氣流，氣流對火箭有一個反向的作用，也正是反沖作用。這時只要把發射前火箭整體看成一個系統，發射時，將噴出的氣體和火箭分別看成一個系統，動量應是守恒的。驅動力對火箭做功，火箭的機械能不斷增加。

另外，火箭在發射時，尾部的火焰溫度很高，如果直接噴射到發射臺上，會燒壞發射臺和發射架。為了解決這個問題科學家利用了“物態變化”的知識把比熱熔較大，又最便宜的水利用上了。他們在發射臺底下造一個大水池，讓火焰噴到水池中，使水吸熱升溫并汽化再吸熱，使周圍環境溫度降低許多。

再者，火箭點火后在噴射出烈焰的同時，會發出震耳的雷鳴聲，這是極大的噪聲，這種噪聲是由周圍物體及空氣振動而產生的，大約有150分貝，會損害人的聽力器官，為了保護宇航員的聽力，飛船的設計必須能夠讓艙內的噪聲低于90分貝，才能保護宇航員的聽力不受損傷。

還有，我們高中學到了第一宇宙速度，數值為7.9千米/秒，它是飛船最小發射速度，也是飛船最大的運行速度。這個數據的計算依據是：飛船繞地球做勻速圓周運動時，所需向心力由萬有引力提供，即：

近地衛星可以說是在“地球附近”飛行，可以用地球半徑R代表衛星距離地面的距離r。將相關數據代入上面速度公式后算出的。而飛船在數百千米以上高空運行時，地球對飛船引力減小，飛船入軌的速度略小于第一宇宙速度，約為7.5千米/秒，是聲速的22倍。

二、運行過程

火箭將飛船送入太空后，會脫離飛船。在萬有引力的作用下，飛船進入預定的軌道環繞地球運行。由開普勒定律可知，這個運行軌道應該是橢圓的，地球在這個橢圓的一個焦點上。飛船離地球最近的一點叫近地點，最遠的叫遠地點，當飛船達到近地點時，運行速度最快，動能最大，勢能最小；到達遠地點時速度最慢，動能最小，勢能最大。這時飛船只受重力作用，總的機械能是守恒的。飛船在太空軌道正常飛行，是不需要推動力的，因為太空中沒有空氣，也就沒有阻力，所以它只需要利用慣性和自身的重力就會不停地繞地球運轉。當需要變軌時，才需要推力的作用，才把飛船的推進艙噴火時的反推力作為變軌的動力。

飛船運行時，重力要提供沿軌道運行的向心力。航天員在失重的環境下，身體沒有可依靠的著力點，出艙漫步時，只能在安全帶掛鉤的幫助下，通過手沿飛船外壁位置改變，來實現整個身體的移動，從這個角度來看“漫步”應為“慢移”。

航天服系統重大約120千克，航天員穿著這么笨重的航天服，并不會感到很吃力。原因是航天服和人一樣，在向心力的作用力，高速圍繞地球飛行，這時的向心力由重力來提供。在失重狀態下，航天服和人同樣，可以漂浮在空中，航天員完全可以承受非常笨重的航天服，并不會覺得費力。

在飛船運行時，給航天員的生活也會帶來很大的影響，給吃、喝、拉、睡都會帶來不便。在失重狀態下早先他們只能吃裝在像牙膏一樣的管內的食物，吃的時候，往口中擠。喝水時，只能用吸管吸著喝，因為把水盛在杯子里，也很難把杯中的水倒進口中。航天員在太空睡覺就更為奇特，其表現一是黑夜和白天不分。原因是在飛船內看日出、日落是由飛船繞地球一圈的時間而定。在24小時內，日出日落會多次交替出現，航天員只好按鐘點安排睡覺時間。表現二是睡姿奇態，航天員在失重的環境中，根本分不清上下左右，找不到“躺”的感覺，所以睡覺時不需要床，站著、躺著、坐著都一樣。人睡著了，兩臂卻會自由擺動。因此，睡覺時，航天員會鉆進睡袋中，拉上拉鏈，并固定在艙壁上，這樣才能保證不會飄走。

三、回收過程

據相關資料介紹，飛船的回收往往要經歷四個階段：

（一）制動階段

當飛船在太空中運行最后一圈時，測控指揮部向飛船注入返回指令，飛船要變軌調整飛行姿態，按照牛頓力學原理，需要有力的作用，由于飛船是由三個艙組成，即推進艙、軌道艙和返回艙。其中推進艙的功能正是為飛船的變軌調整飛行姿態提供動力的設施。需要時按程序點燃發動機制動，飛船受力，改變原來的運動狀態，完成離軌操作任務，并進入返回軌道。

（二）自由滑行階段

在自由滑行階段，飛船發動機關閉，基本上是無動力的飛行狀態。這一階段也叫大氣層內自由落體運動狀態。飛船的重力勢能不斷轉化為動能，飛行速度會越來越快。由于和空氣的摩擦，會產生大量的熱，那時飛船就像一團火球，表面溫度能高達三千攝氏度。由于飛船在抗外高溫方面，包括飛船的外表材料，保護層和飛船內的座艙里有各種隔熱裝置起到極大的作用，保證了航天員的環境溫度不會上升太高，對他們的工作、生活、身體影響不大。當飛船飛行高度降至距地面約一百多千米時，飛船的推進艙與返回艙分離。推進艙在穿越大氣層時燒毀。返回艙繼續下落。返回艙的形狀像一個大鐘，原理是返回艙返回時進入大氣層，千變萬化的氣流對返回艙作用很大，使返回艙難以保持一個固定的姿態，把它做成大鐘形狀，好似“不倒翁”一樣，底部大，上端小，抗氣流能力會大大增強。同時大鐘的形狀相對其他形狀有利于實現防熱的目的。

（三）再入大氣層階段

飛船的返回艙自由降落到離地面大約100千米時，返回艙表面空氣密度逐漸增大，飛船要克服摩擦做功，機械能轉化為內能，飛船表面形成高溫等離子氣體層，它會將電磁波屏蔽，使艙內的航天員暫時失去與地面的聯系，這就是所謂的“黑障”現象。當返回艙降至離地面四、五十千米時，“黑障”逐漸消失，恢復和地面指揮部的聯系，返回艙繼續下落。

（四）著陸階段

當返回艙降至離地面大約10千米時，便進入著陸階段，回收著陸系統開始工作。當時飛船速度很高，大約200米/秒，如果不采取減速措施，飛船高速著陸，航天員受力的動量及沖量會大的出奇，猶如從100米高樓墜落到地面上一樣，后果可想而知。為了保證航天員的人身安全，回收著陸系統會連續完成拉出引導傘、減速傘、主傘的動作，飛船才會開始減速，緩緩下落。由于這時，向上的阻力大于向下的重力，飛船的加速度方向向上，飛船下落速度逐漸降到大約為10米/秒。若不繼續減速，著陸的風險仍很大。當飛船離地面大約1米時，安裝在返回艙底部的幾臺反推火箭會點火工作，促使返回艙的速度一下子降到2米/秒以內，再加上航天員的坐椅具有緩沖功能，能使沖擊時的部分能量被緩沖吸收，還有航天員是躺在坐椅上落地的，增大了接觸面積，從壓強的角度講，大大減小了航天員著陸時受到的壓強。從沖量的角度講，作用時間延緩了，航天員受的作用力就大大減小。這樣采用多種措施實現飛船的軟著陸，從而保障了返回艙和航天員的安全。

我們中學生一定要向為中國航天事業做出貢獻的科學家學習，認真學習文化知識，聯系生活、生產、科技實際，不斷提高自己的綜合素質，將來能成為一名有理想、有道德、有知識、有能力、高素質、創新型的社會主義建設者和接班人。