“神舟飞天”与物理知识的联想

汪铭暄

摘 要：文章坚持书本知识与实践相结合，学以致用的原则，在学习物理知识的同时，联系生活，生产和现代科技工作实际，从神舟飞船，载入航天的发射、运行、回收三个过程详细分析具体环节中运用物理原理的情况。文章也展现了在改革开放以来，国家重视科学技术的研究，科研工作者艰辛攻关，使航天事业发展迅速，成绩辉煌。

关键词：航天工程；物理；万有引力；书本知识与实践相结合

最近，我们复习到高中物理教材的“万有引力与航天”，不由得又联想到“神舟”飞船的发射、运行和回收三个过程，所涉及到中学生学过的许多物理知识。现遵从理论联系实际的原则，按飞船发射三个过程的顺序，进行简要阐述，以便促进自己养成学习书本知识联系生活、生产和科技实际，学以致用的良好习惯。

一、发射过程

从电视画面中我们会看到，当指挥员发出“点火”的指令后，巨型运载火箭喷射出一团橘红色的烈焰，将火箭（含飞船）平地托起，直冲云天，此刻，飞船进入发射过程。

首先，想到火箭中燃烧的燃料应该是热值很高的燃料。常用的燃料像煤、干木柴、汽油的热值都比氢的热值低许多，所以火箭要用氢来作燃料，而且是用液态的氢，所占空间体积才会很小，氢由气态变成液态应该采取压缩和降温的办法才可实现。在飞船的燃料箱中还应有液态的氧气作为助燃剂。飞船升空的阶段，氢不断地燃烧，燃料的化学能转化为燃气的内能，内能再转化为火箭的机械能。火箭升空的动力在于它本身，火箭向下喷出高速气流，气流对火箭有一个反向的作用，也正是反冲作用。这时只要把发射前火箭整体看成一个系统，发射时，将喷出的气体和火箭分别看成一个系统，动量应是守恒的。驱动力对火箭做功，火箭的机械能不断增加。

另外，火箭在发射时，尾部的火焰温度很高，如果直接喷射到发射台上，会烧坏发射台和发射架。为了解决这个问题科学家利用了“物态变化”的知识把比热熔较大，又最便宜的水利用上了。他们在发射台底下造一个大水池，让火焰喷到水池中，使水吸热升温并汽化再吸热，使周围环境温度降低许多。

再者，火箭点火后在喷射出烈焰的同时，会发出震耳的雷鸣声，这是极大的噪声，这种噪声是由周围物体及空气振动而产生的，大约有150分贝，会损害人的听力器官，为了保护宇航员的听力，飞船的设计必须能够让舱内的噪声低于90分贝，才能保护宇航员的听力不受损伤。

还有，我们高中学到了第一宇宙速度，数值为7.9千米/秒，它是飞船最小发射速度，也是飞船最大的运行速度。这个数据的计算依据是：飞船绕地球做匀速圆周运动时，所需向心力由万有引力提供，即：

近地卫星可以说是在“地球附近”飞行，可以用地球半径R代表卫星距离地面的距离r。将相关数据代入上面速度公式后算出的。而飞船在数百千米以上高空运行时，地球对飞船引力减小，飞船入轨的速度略小于第一宇宙速度，约为7.5千米/秒，是声速的22倍。

二、运行过程

火箭将飞船送入太空后，会脱离飞船。在万有引力的作用下，飞船进入预定的轨道环绕地球运行。由开普勒定律可知，这个运行轨道应该是椭圆的，地球在这个椭圆的一个焦点上。飞船离地球最近的一点叫近地点，最远的叫远地点，当飞船达到近地点时，运行速度最快，动能最大，势能最小；到达远地点时速度最慢，动能最小，势能最大。这时飞船只受重力作用，总的机械能是守恒的。飞船在太空轨道正常飞行，是不需要推动力的，因为太空中没有空气，也就没有阻力，所以它只需要利用惯性和自身的重力就会不停地绕地球运转。当需要变轨时，才需要推力的作用，才把飞船的推进舱喷火时的反推力作为变轨的动力。

飞船运行时，重力要提供沿轨道运行的向心力。航天员在失重的环境下，身体没有可依靠的着力点，出舱漫步时，只能在安全带挂钩的帮助下，通过手沿飞船外壁位置改变，来实现整个身体的移动，从这个角度来看“漫步”应为“慢移”。

航天服系统重大约120千克，航天员穿着这么笨重的航天服，并不会感到很吃力。原因是航天服和人一样，在向心力的作用力，高速围绕地球飞行，这时的向心力由重力来提供。在失重状态下，航天服和人同样，可以漂浮在空中，航天员完全可以承受非常笨重的航天服，并不会觉得费力。

在飞船运行时，给航天员的生活也会带来很大的影响，给吃、喝、拉、睡都会带来不便。在失重状态下早先他们只能吃裝在像牙膏一样的管内的食物，吃的时候，往口中挤。喝水时，只能用吸管吸着喝，因为把水盛在杯子里，也很难把杯中的水倒进口中。航天员在太空睡觉就更为奇特，其表现一是黑夜和白天不分。原因是在飞船内看日出、日落是由飞船绕地球一圈的时间而定。在24小时内，日出日落会多次交替出现，航天员只好按钟点安排睡觉时间。表现二是睡姿奇态，航天员在失重的环境中，根本分不清上下左右，找不到“躺”的感觉，所以睡觉时不需要床，站着、躺着、坐着都一样。人睡着了，两臂却会自由摆动。因此，睡觉时，航天员会钻进睡袋中，拉上拉链，并固定在舱壁上，这样才能保证不会飘走。

三、回收过程

据相关资料介绍，飞船的回收往往要经历四个阶段：

（一）制动阶段

当飞船在太空中运行最后一圈时，测控指挥部向飞船注入返回指令，飞船要变轨调整飞行姿态，按照牛顿力学原理，需要有力的作用，由于飞船是由三个舱组成，即推进舱、轨道舱和返回舱。其中推进舱的功能正是为飞船的变轨调整飞行姿态提供动力的设施。需要时按程序点燃发动机制动，飞船受力，改变原来的运动状态，完成离轨操作任务，并进入返回轨道。

（二）自由滑行阶段

在自由滑行阶段，飞船发动机关闭，基本上是无动力的飞行状态。这一阶段也叫大气层内自由落体运动状态。飞船的重力势能不断转化为动能，飞行速度会越来越快。由于和空气的摩擦，会产生大量的热，那时飞船就像一团火球，表面温度能高达三千摄氏度。由于飞船在抗外高温方面，包括飞船的外表材料，保护层和飞船内的座舱里有各种隔热装置起到极大的作用，保证了航天员的环境温度不会上升太高，对他们的工作、生活、身体影响不大。当飞船飞行高度降至距地面约一百多千米时，飞船的推进舱与返回舱分离。推进舱在穿越大气层时烧毁。返回舱继续下落。返回舱的形状像一个大钟，原理是返回舱返回时进入大气层，千变万化的气流对返回舱作用很大，使返回舱难以保持一个固定的姿态，把它做成大钟形状，好似“不倒翁”一样，底部大，上端小，抗气流能力会大大增强。同时大钟的形状相对其他形状有利于实现防热的目的。

（三）再入大气层阶段

飞船的返回舱自由降落到离地面大约100千米时，返回舱表面空气密度逐渐增大，飞船要克服摩擦做功，机械能转化为内能，飞船表面形成高温等离子气体层，它会将电磁波屏蔽，使舱内的航天员暂时失去与地面的联系，这就是所谓的“黑障”现象。当返回舱降至离地面四、五十千米时，“黑障”逐渐消失，恢复和地面指挥部的联系，返回舱继续下落。

（四）着陆阶段

当返回舱降至离地面大约10千米时，便进入着陆阶段，回收着陆系统开始工作。当时飞船速度很高，大约200米/秒，如果不采取减速措施，飞船高速着陆，航天员受力的动量及冲量会大的出奇，犹如从100米高楼坠落到地面上一样，后果可想而知。为了保证航天员的人身安全，回收着陆系统会连续完成拉出引导伞、减速伞、主伞的动作，飞船才会开始减速，缓缓下落。由于这时，向上的阻力大于向下的重力，飞船的加速度方向向上，飞船下落速度逐渐降到大约为10米/秒。若不继续减速，着陆的风险仍很大。当飞船离地面大约1米时，安装在返回舱底部的几台反推火箭会点火工作，促使返回舱的速度一下子降到2米/秒以内，再加上航天员的坐椅具有缓冲功能，能使冲击时的部分能量被缓冲吸收，还有航天员是躺在坐椅上落地的，增大了接触面积，从压强的角度讲，大大减小了航天员着陆时受到的压强。从冲量的角度讲，作用时间延缓了，航天员受的作用力就大大减小。这样采用多种措施实现飞船的软着陆，从而保障了返回舱和航天员的安全。

我们中学生一定要向为中国航天事业做出贡献的科学家学习，认真学习文化知识，联系生活、生产、科技实际，不断提高自己的综合素质，将来能成为一名有理想、有道德、有知识、有能力、高素质、创新型的社会主义建设者和接班人。