航天技术中的物理学原理

张健++王鸣晓++赵大鹏

摘 要：根据机械能守恒、角动量守恒定量计算了航天技术中的宇宙速度和火箭速度，并简单概述了人造卫星和载人航天技术，证明了物理学原理在航空技术中的重要性。

关键词：物理学原理；航天技术；第一宇宙速度；机械能守恒定律

中图分类号：V47 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.018

随着科学技术的发展，20世纪初兴起的航天技术逐步使人类走出地球、飞向天空、进入宇宙。以大气层为界，大气层以外的技术称为航天技术，航天技术揭开了太空观测、研究地球和整个宇宙的新时代。

1 宇宙速度

1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出，如果物体的速度足够快，则可以绕地球飞行，这是机械能守恒的重要应用之一。

航天器要想飞上太空，就必须有足够的能量克服地球的万有引力，即将能量转化成物体的势能。根据机械能守恒定律，航天器在地球表面的动能转化成航天器在轨道飞行所具有的最小动能和所具有的引力势能。如果忽略发射过程中的空气阻力，可得到3个宇宙速度：第一宇宙速度是指在地面上发射航天器，能沿着地

球的圆形轨道运行的最小发射速度，即 ；第

二宇宙速度是指在地面上发射航天器，能脱离地球的引力场所

需的最小发射速度，即 ；第三宇宙速度

是指在地球表面发射航天器，不但要脱离地球的引力，还要脱

离太阳的引力的最小发射速度，即 。

以上3个宇宙速度从理论上证明了人类飞上太空的可能性，而火箭的发明使这种理论成为了现实，促进了航天技术的快速发展。

2 火箭速度

所有航天器的发射都需要借助于火箭。火箭自身可携带燃料，在发射过程中遵循动量定理和动量守恒定律。俄国火箭之父齐奥尔科夫斯基给出了理论上火箭的速度公式：

. （1）

式（1）中：V为火箭运动的速度；u为火箭燃料的燃烧产物从喷气管喷出的速度；M0为火箭起飞前的原始质量；M为燃料与氧化剂燃烧完之后的火箭最终质量。

在实际发射中，由于空气阻力的影响，火箭的实际速度要稍小于理论值，且根据速度公式，要想提高火箭的速度，必须增加火箭的质量比（M/M0，即燃烧燃料后火箭的质量与燃烧燃料前火箭的质量之比）。根据现有的技术和材料，火箭的质量比不可能无限制地提高，单级火箭的发射最终速度并不能达到最小的第一宇宙速度，所以，一般采用多级火箭技术发射。地面点火时引燃一级火箭，燃料燃烧使火箭加速，当一级火箭中的燃料燃尽后，一级火箭自动脱落并引燃二级火箭使火箭继续加速，这样能使火箭和火箭上的航天器最终获得所需要的宇宙速度，从而进入预定的飞行轨道。

美国发射的“阿波罗”登月飞船的运载火箭“土星5号”，其总质量为2 800 t，高约85 m，三级火箭的喷气速度分别为：u1=2.9 km/s、u2=4 km/s、u3=4 km/s，三级火箭的质量比分别为：N1=16、N2=14、N3=12.根据火箭速度方程可得火箭最后的速率约为28.5 km/s。

3 人造卫星

卫星是指绕行星运行的天然天体。人造卫星由人类建造，通过运载工具，比如火箭、航天飞机等发射到太空中，能像卫星一样环绕地球或其他行星运行的航天装置。人造卫星的概念始于1870年。1957年，前苏联发射的人卫1号是第一颗被正式送入轨道的人造卫星，数年后，各式各样用于科学研究的人造卫星被发射到环绕金星、火星和月球的轨道上，在近代通讯、地球资源探测、军事侦察和天气预报等方面已成为一种不可或缺的重要工具。

在人造卫星的运动中，关键是确定其运动轨道。考虑到人造卫星受有心力的作用运动，其角动量守恒，而卫星发射和运动过程中的机械能守恒，这样能得到卫星运动的轨道半径r与角位置θ间的关系表达式，即卫星的轨道方程：

. （2）

式（2）中：P为曲线的焦点参数；e为偏心率。

式（2）是用极坐标来表示的卫星轨道方程，是一个以地心为一个焦点的椭圆曲线的一般方程，P，e二者均由地球和卫星的质量、卫星的发射速度等因素决定。可通过调节各项参数实现对卫星运行轨道的控制。

此外，卫星轨道通常分为2个阶段，即主动飞行段和自由飞行段。主动飞行段是航天器轨道控制发动机点火工作段，发动机熄灭后进入目标轨道呈自由飞行状态，称为自由飞行段。自由飞行段的轨道由主动飞行段结束时航天器的各项飞行参数决定。变轨控制可以将卫星从一个自由飞行段的轨道转移到另一个轨道，2个轨道既可以在同一个平面内，也可以在不同平面内。

1970-04，我国第—颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射，是继前苏联、美、法、日后第五个发射卫星的国家。该卫星设备齐全，总质量为173 kg，主要用于科学研究；1975-11，我国再次发射了返回型遥感卫星，3天后，按原计划顺利返回，使我国成为第三个掌握此项技术的国家；1997-05，“长征三号”运载火箭将“东方红三号”同步通信卫星送入预定轨道；1997-06，我国将“风云二号”同步气象卫星送入轨道。迄今为止，我国成功发射了上百颗人造卫星，它们在广播通信、导航定位、对地观察、气象观测和科学研究等领域都有着广泛应用。

4 载人航天技术

航天器是载人航天技术的核心部分，它是航天员在太空生活和工作的场所。目前，载人航天器分为载人飞船、空间站和航天飞机3种。

载人飞船的特点为载人飞船规模最小、承载航天员的数量较少、费用较低、技术简单、能在太空短期运行，是可使航天员返回舱沿弹道式或升力弹道式路径返回地面垂直着陆的一次性使用无翼航天器，也是被首先用于突破载人航天的基本技术。空间站的特点为体积大、有一定试验或生产能力、可以供多名航天员工作和生活，它在轨运行期间由飞船或航天飞机接送航天员、运送物资和设备，2011-09-29发射的“天宫一号”是我国的第一个空间站和目标飞行器。航天飞机的特点为可重复使用、可往返于太空和地面之间，结合了飞机与航天器的性质，既能像载人飞船一样在轨道上运行，也能像运载火箭一样将人造卫星送入太空。航天飞机是人类自由进出太空的最佳工具，是航天史上的重要里程碑。目前，世界上只有美国和前苏联掌握了这项技术。

5 展望

航天技术为人类的可持续发展开辟了更广阔的道路，带动了一系列其他科学技术的进步，大大增强了人类认识和改造自然的能力，促进了生产力的发展。我国非常重视航天工业的发展，2012-06-24，“神舟九号”载人飞船与“天宫一号”手控交会对接成功，标志着我国具备了建设空间站的基本能力，向着“载人航天三步走战略”的目标又迈出了坚实的一步。相信在不久的将来，我国的航空航天技术将会更加成熟，发挥更加重要的作用。

参考文献

[1]康颖.大学物理[M].北京：科学出版社，2005.

〔编辑：张思楠〕