淺析飛船變軌的物理原理

漆一駿

摘要：我國的航天事業起步晚，發展迅速，目前有些技術已位于世界前列。航天事業的發展對我國軍事、經濟、政治等領域意義重大。本文從物理的角度來論述飛船變軌的原理。

關鍵詞：向心力;萬有引力;飛船變軌;動能;勢能;圓周運動

我國的航天事業起始于上世紀50年代。起步雖晚但發展迅速，目前我國已是航天大國。期間有一大批為航天事業奉獻終生的科學家，如錢學森、任新民、陳芳允等人。錢學森先生的回國，更是推動了中國航天事業的發展。他也被成為“中國航天之父”。“兩彈一星”讓年輕的共和國挺起了脊梁。航天事業的發展還帶動了周邊科技的發展，“副產品”也非常豐厚，促進了科技向生產力的轉化。最近，神舟系列火箭的發射，更是實現了人類探索太空的飛天夢想。為國防、經濟、社會，做出了重大貢獻。但是，我國航天事業在許多方面仍然不足，過度依賴國外技術，自主之路還有很長的路要走。飛船的變軌是航空航天事業中的一個技術環節。飛船運行中為了躲避“太空垃圾”、與空間站對接、延長使用壽命等，必須使用到變軌技術。飛船變軌有以下幾個要點：

一、飛船繞地勻速圓周運動的原理

飛船在地面以高于7.9km/s的速度發射之后，經過一個升空和速度方向調整的過程，會逐漸進入一個圓周軌道。此后，飛船就沿圓周軌道繞地心做勻速圓周運動。在勻速圓周運動的時候飛船幾乎可以無動力飛行，只會消耗很少的能量。其所受萬有引力提供做勻速圓周運動的向心力。GMmr2=mv2r=mω2r=m4π2T2r。由此可知飛船的軌道半徑越大，它的線速度、角速度越小，它的周期越大。已知萬有引力常量G=6.67259×1011Nm2/kg2，地球質量為M=5.965×1024kg，地球半徑為6371393米，如果飛船離地高度為10000千米，則可知飛船速度為v=4.9×103ms，離地高度為20000千米時，飛船速度為v=3.9×103ms。

二、飛船變軌的種類及其實現

（一）飛船由低軌道變到高軌道

飛船在較低軌道運行時，并非是理想的勻速圓周運動。會受到各種阻力，如果沒有動力，飛船的線速度會逐漸減低，大約為每天降低100米每秒。隨著線速度的逐漸降低，所需向心力逐漸減小，必然引起運行軌道的逐漸降低，最終要墜向地球，不過這個減少是一個緩慢的漸變過程。為了延長飛船的飛行時間，飛船要在外力作用下，變到較高的軌道。如果要變到較高的軌道，飛船需要點火加速。點火過程中，燃料被向后噴出，飛船受到一個向前的反沖作用力，在力的作用下，飛船加速。在反沖過程中火箭和燃料的系統動量守恒。飛船加速后，其所受萬有引力不足以提供其圓周運動的向心力，飛船將做離心運動。飛船由較低軌道變向較高軌道。在此過程中由于點火，飛船的機械能增加。向外運動的過程中，飛船的引力勢能增加，動能減少。最后飛船在較高的軌道勻速運行，此時的線速度小于低軌道的線速度。

（二）飛船由高軌變到低軌

由于要躲避障礙物或者要人工收回，在較高軌道運行的飛船，需要調整到較低軌道。人工收回飛船可以選擇自然降軌，也可以選擇點火減速降軌。自然降軌優點是不需要消耗大量的能量，缺點是降軌速度慢，時間長。人工降軌是在飛船飛行過程中向運動方向噴出燃氣，由于反沖作用，飛船獲得一個反向沖量，速度減小，所需向心力減小。此時萬有引力大于飛船運行所需要的向心力，飛船不能繼續做無動力的運輸圓周運動，轉而做近心運動，實現降軌。人工降軌的優點是降軌速度快，所需時間少，缺點是消耗能量比較多。降軌過程中飛船的動能增大，引力勢能減少。根據不同情況，可以選擇不同的降軌方式。

（三）霍曼轉移軌道

費曼轉移軌道是1925年由德國工程師奧爾特·霍曼提出。最大化的利用了引力的能量，在平面內經過兩次加速，實現由低高度的勻速圓軌道，先進入橢圓軌道的最低點，然后在引力的作用下，進入橢圓變速軌道的最高點。然后，在橢圓變速軌道的最高點二次點火加速，使飛船由橢圓軌道進入外圓勻速圓軌道。費曼轉移軌道是最節約能源的軌道，適合長期服役的衛星使用。但是霍曼轉移軌道消耗時間比較長，飛船變軌一般不會采取這種變軌方式。

我們是社會主義接班人，科技強國的歷史責任責無旁貸。作為一名高中生，努力學好科學文化知識，為將來報效祖國打下基礎。只要齊心協力，一定能實現科技興國，科技強國。

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