天體與地球運(yùn)動規(guī)律的異同

華興恒

人造天體在太空中運(yùn)動和地面上的物體在地表上的運(yùn)動，既有相同點(diǎn)，又有不同點(diǎn)。我們只有認(rèn)真地分析、準(zhǔn)確地辨別，才能正確地求解此類問題。

一、地球同步通信衛(wèi)星與赤道上的物體運(yùn)動規(guī)律的異同

大家都知道，地球同步通信衛(wèi)星之所以會獲得這個名稱，是因?yàn)樗m然是在赤道上空的太空中運(yùn)行的，但它與地球卻是保持相對靜止的。它繞地球做勻速網(wǎng)周運(yùn)動所需的向心力完全是由地球?qū)λ娜f有引力提供

赤道上的物體與地球同步通信衛(wèi)星的相同之處是：二者均具有與地球白轉(zhuǎn)相同的運(yùn)行周期和運(yùn)行角速度，始終與地球保持相對靜止，共同繞地軸做勻速圓周運(yùn)動。

例1

設(shè)地球的半徑為R，地球自轉(zhuǎn)周期為T，地球同步通信衛(wèi)星距赤道地面的高度為h，質(zhì)量為m.試求此衛(wèi)星處在同步軌道上運(yùn)行時與處在赤道地面上靜止時的

（1）線速度之比：

（2）向心加速度之比；

（3）所需向心力之比.

解析

由于同步通信衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時與處在赤道地面上靜止時，具有與地球自轉(zhuǎn)相同的運(yùn)行角速度，則據(jù)此可得

例2

地球同步衛(wèi)星的軌道半徑為

二、人造地球衛(wèi)星與地面物體受阻運(yùn)動規(guī)律異同

對于地面上做直線運(yùn)動的物體來說，由牛頓運(yùn)動定律和運(yùn)動學(xué)規(guī)律可知，如果物體受到阻力的作用，必然產(chǎn)生與運(yùn)動方向相反的加速度而做減速運(yùn)動，直至最后停下來。還有萬有引力的存在。決定人造地球衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)的主要因素是萬有引力，而不是它所受的阻力。

三、航天飛機(jī)的對接與地面物體追及的異同

對于地面物體的直線運(yùn)動來說，當(dāng)兩個運(yùn)動的物體發(fā)生追趕運(yùn)動時，只要追趕物體的速度大于被迫物體的速度，則一定可以追及，并且追上時，必有追趕物體與被追物體相對于同一起點(diǎn)的位移相同.這是追及問題的必要條件。

對于航天飛機(jī)與宇宙空間站的對接，其實(shí)際上就是兩個勻速網(wǎng)周運(yùn)動的追趕問題，本質(zhì)仍然是人造天體的變軌問題。要使航天飛機(jī)與宇宙空間站對接成功，必須讓航天飛機(jī)在較低的軌道上加速，通過速度v的增變速、變軌過程而完成航天飛機(jī)與宇宙空間站成功對接。

如圖所示是航天飛機(jī)與宇宙空間站對接軌道示意圖。其中規(guī)道1是地球衛(wèi)星的一個環(huán)繞軌道（圓型軌道），軌道3是宇宙空間站的運(yùn)行軌道，軌道2是一個長軸的兩端點(diǎn)Q、P分別相切于軌道1和軌道3的橢網(wǎng)軌道。航天飛機(jī)只有從預(yù)定的軌道1上的Q點(diǎn)，以一定的速度和加速度沿軌道2的半個橢圓運(yùn)動，才能恰好在軌道3的P點(diǎn)與宇宙空間站完成對接。

例4

在地球某一圓形軌道上運(yùn)行的宇宙空間站，是適于人類長期生活的大型人造航天器?！昂推教枴笨臻g站是人類歷史上發(fā)射的第九座空間站，其中設(shè)有工作艙、過渡艙、服務(wù)艙等。自1986年2月進(jìn)入太空軌道后，先后與五個太空艙對接成功。15年來，“和平號”宇宙空間站先后同90多艘載人航天飛機(jī)及貨運(yùn)飛船成功對接，總共接納了28個長期考察組和30個國際聯(lián)合考察組，有108名宇航員登上了“和平號”宇宙空間站?！昂推教枴庇钪婵臻g站于2001年3月23日回收墜入南太平洋。宇航員乘坐航天飛機(jī)加速升空進(jìn)入軌道，與“和平號”宇宙空間站對接后才能進(jìn)入太空站，航天飛機(jī)為了追上并實(shí)現(xiàn)與空間站的成功對接，下列說法中正確的是

（

）

A.只能從空間站同一軌道加速

B.只能從較高軌道加速

C.只能從較低軌道加速

D.無論在什么軌道上加速都行航天飛機(jī)做遠(yuǎn)離地球的離心運(yùn)動而離開宇宙空間站所在的軌道，無法實(shí)現(xiàn)與宇宙空間站的對接，因此選項(xiàng)A是錯誤的.

如果讓航天飛機(jī)從較高的軌道上采用減小速度、降低軌道而實(shí)現(xiàn)與宇宙空間站的對接，則不僅技術(shù)無法完成，還應(yīng)讓航天飛機(jī)必須穿越宇宙空間站所在軌道而進(jìn)入更高的軌道，必然會消耗大量的能量，因而這種方法不可取。因此選項(xiàng)B錯。

因?yàn)橐购教祜w機(jī)與宇宙空間站對接，首先必須加速追趕；其次由于加速必然導(dǎo)致軌道半徑的增大。因而要實(shí)現(xiàn)航天飛機(jī)與宇宙空間站的成功對接，就必須讓航天飛機(jī)從較低的軌道上加速，并沿一特定的橢網(wǎng)軌道，使之在宇宙空間站的軌道上實(shí)現(xiàn)對接。故選項(xiàng)C正確。

由以上的討論可知，“無論在什么軌道上加速都行”是絕對不行的，故選項(xiàng)D錯誤。