物理在航空航天中的應用

袁浩翔

摘 要： 天體運動中的定律與航空航天具有密切的聯系。本文首先分寫介紹了開普勒定律、萬有引力定律、三種宇宙速度三種航空航天領域中具有基礎性意義的物理定律，隨后從萬有引力定律的綜合應用和天體運動中功和能的運用兩個方面，探討了物理學科知識在航空航天領域中的實際應用。希望這些觀點能夠有效促進我國“陸海空天電”全領域戰能力的大幅提升。

關鍵詞： 物理學科;航天航空;萬有引力

航空航天的發展對國民經濟和社會生活產生了深遠的影響，促進了社會經濟效益的增長。探討物理學科知識在航空航天領域中的應用，需要建構完整的知識脈絡，夯實學科基礎知識和基本技能，合理應用網絡信息技術手段，深化對勻速圓周運動、牛頓運動定律、開普勒定律等知識的理解、記憶和應用，結合運動模型，掌握了解決問題的核心和切入點，以強化對天體運動的認知，為今后航空航天知識的學習鋪平道路。

1 天體運動中的定律

1.1 開普勒定律

開普勒定律（Kepler's law），也叫“行星運動定律”對整個天文學界帶來的重大的變革，完善并簡化了哥白尼的日心說，從物理基礎上解釋太陽系結構的動力學原因。其軌道定律和面積定律最先表明天體的運動和軌跡是具有一定的特征和規律的，行星是沿著橢圓軌道圍繞太陽進行運動的，太陽是這個橢圓軌跡的二個焦點之一，并且在等量的時間內，太陽和運動中行星的向量半徑所掃過的面積都是相等的，換句話說，在行星運動的過程中，在近日點的運動速率為最大值，在遠日點的運動速率為最小值。開普勒第三定律實際是天體運動的調和定律，證明了行星世界是一個勻稱的（和諧系統，太陽系內天體運動周期的大小只與其中心天體有關，其公轉周期的平方與行星軌道半長徑的立方之比為常數。

1.2 萬有引力定律

萬有引力定律（law of universal gravitation）是牛頓于1687年首先提出的物理定律，該定律的出現，推動了地面上物體運動規律和天體運動規律之間有機統一，第一次揭示了自然界中一種基本相互作用的規律，對物理學領域和天文學領域都產生了深遠的影響。萬有引力定律清晰的闡述了自然界中存在的任何物體之間都會存在“力”的作用，其引力的大小由物體的質量與物體間的距離有所決定，說明了行星運動規律，正式將力學理論納入到天體運動的研究領域，設置該定律還適用于解釋所有兩個質點之間的相互作用力，具有廣泛的實用價值。[1]

1.3 三種宇宙速度

第一宇宙速度（V1）也叫做環繞速度，指衛星沿地球表面作圓周運動時必須具備的速度，也是衛星成功發射的最小速度，按照力學理論可以計算出V1=7.9公里/秒。也就是說如果衛星的運動速度小于第一宇宙速度，受到牛頓萬有引力影響，衛星會做向心運動落在地球上，發射失敗。與此同時，其運動的軌跡高度越高，圓周運動的線速度越小，地面對衛星的引力也就越小。第二宇宙速度（V2）也叫做脫離速度，是指當衛星運動速度超過第一宇宙速度V1達到一定值時，其環繞軌道的橢圓形的長軸就會隨之延長，最終脫離地球的引力場成為圍繞太陽運行的人造行星，其計算結果為V2=11.2公里/秒，是使得物體擺脫地球引力的最小的發射速度。第三宇宙速度（V3）也叫逃逸速度，指隨著發射速度持續增長，從地球表面發射的衛星最終會掙脫太陽引力的束縛，飛到太陽系之外，到浩瀚的銀河系中漫游，其速度的大小為V3=16.7公里/秒。

2 物理在航空航天中的應用

2.1 萬有引力定律的綜合應用

萬有引力的定律為任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比，根據公式其操作定義可以表述為萬有引力等于引力常量乘以兩物體質量的乘積除以它們距離的平方。其中重力理念在航空航天中的應用最為廣泛，重力加速度（g）隨著天體與地面之間的高度（h）變化而產生相應的變化，假設重力（g）與地球對物體的吸引力可以互相抵消，其計算公式可以表示為：F= GMm r2 。將萬有引力定律應用到中心天體質量的估算中，需要借助天體運動周期（T）和軌道半徑（R）或依據中心天體表面的重力加速度（g）和半徑（r）求出相應的數值。基于上述的物理知識能夠在航空航天中精準的定位衛星的軌道位置，對其自由圓周運動進行預估，通過科學系統的操作進行變軌運動，進一步推進現代社會的航空航天事業的可持續健康發展。[2]

2.2 天體運動中功和能的運用

能是由物體運動狀態決定的物理量，功是與物體運動狀態變化過程有關的物理量，可以使物體內的能量發生相應的變化，兩者既相互聯系又相互區別，共同決定物理學中把力和物體在力的方向。將該物理概念應用到航空航天領域，將其與萬有引力的相關知識進行有機結合，能夠科學有效的解決人類航天活動中的實際問題。例如，開展月球探測工作已成為當前國際航空航天活動的必然趨勢和競爭熱點，月球上豐富而獨特的礦產和能源能夠為人類社會的可持續發展提供知識，是地球資源的重要補充和儲備。我國的繞月探測工程被稱為“嫦娥工程”，嫦娥號衛星的應用能夠幫助我國獲取月球表面三維的影像，分析其礦產能源的分布特征，探測地月的空間環境。假設嫦娥三號在開展探測活動時，在A點處懸停并在力的作用下降落，當其降落到原來的一般高度時，其運動速度為v，此時關閉發動機直接下落到月球表面。此環節中，需要分析從開始降落到接觸月球表面的過程中機械能的變化，以保障嫦娥三號的安全性和穩定性，其計算流程為：基于萬有引力定律和相關數據，獲取接觸月球表面時的速度V，再依據能量守恒定律對嫦娥三號降落過程中的能量轉換進行計算分析，進而求出機械能的特征和規律。

3 結論

綜上所述，現代社會的航空航天事業為人類從空中觀察自然界提供了的條件，強化對物理學科知識的梳理和掌握，能夠為航空航天知識的學習奠定的基礎，提高對航空航天技術的掌握能力。

參考文獻：

[1]熊夢飛.航天領域涉及的高中物理知識探究[J].科學咨詢（教育科研），2018（02）：126.

[2]王冠斌.高中物理知識在航空航天方面應用淺談[J].中國高新區，2018（08）：95.