基于中學物理知識淺談載人航天工程七大系統

盧清華

摘要：物理學在載人航天工程中發揮著重要的作用，在火箭材料的選用和火箭發射以及系統運作方面都涉及到了不同的物理知識，也就是說物理學是航天工程的最基礎學科，并且更加深奧的航天知識都是以物理學為基礎展開的。本文主要介紹航天工程涉及到的中學物理知識及其應用。

關鍵詞：中學物理航天工程七大系統

中圖分類號：G633.7 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-9129（2017）16-0290-01

Abstract： physics plays an important role in manned space engineering. It involves different knowledge in the selection of rocket materials， rocket launches and system operation， that is to say， physics is the most basic discipline in space engineering. And the more profound knowledge of space is based on physics. This article mainly introduces the middle school physics knowledge and its application involved in aerospace engineering.

Key words： seven systems of physics and space engineering in middle school

1 航天工程七大系統概述

航天工程是一個整體，總共包含七大系統，只有各個系統間相互配合，才能夠推進航天工程的發展，這七大系統可以分為三個部分，分別是人員、飛船以及發射與著陸，人員部分主要為航天員系統，包括航天員選拔工作以及以航天員為中心的醫療團隊、營養食品，航天員系統能夠為航天員提供穩定安全的工作環境[1]。飛船部分包含載人飛船系統、運載火箭系統、測控通信系統、飛船應用系統，這些系統共同控制著飛船的工作，能夠實現飛船完成太空任務的全過程，并對飛船提供技術支持與設備保障[2]。發射與著陸部分包括發射場系統和著陸場系統，我國航天器主發射場地在酒泉衛星發射中心，主著陸場位于內蒙古中部四子王旗草原，這部分系統能夠引導飛船進行精確地起飛和著陸。

2 涉及載人航天工程的物理知識

2.1動量守恒定律。動量守恒定律廣泛存在于自然生活中，從本質上講，整個系統是遵循動量守恒的，在航天工程中，動量守恒定律可以用來計算火箭收尾速度，以便于相關技術人員對火箭及飛船的重量和與液體燃料的儲備量進行設計，以確保火箭推進器脫離后，飛船能夠達到逃逸速度從而正常圍繞地球進行圓周運動，增加噴氣的速度和氣體質量都有利于增加火箭的飛行速度，而相關專家需要根據動量守恒定律對火箭的飛行速度進行精確計算[3]。

2.2牛頓運動定律。氫氧發動機是我國在神舟系列飛船中使用較為廣泛的火箭推進器，它將液氫和液氧作為火箭動力裝置的推進劑，而火箭在飛行過程中符合牛頓運動定律，在燃料燃燒噴氣產生的外力作用下，飛船才能夠獲得一定的高度，這個過程符合牛頓第三定律，在太空失重環境下，雖然不能測得重力的準確數據，但拉力等其他水平方向的力是可以通過相關設備得到準確數據的，這時牛頓第二定律就能夠幫助航天員測量自己的體重，使得指揮中心及時獲知航天員的身體狀況。

2.3萬有引力定律。萬有引力定律在航天工程的很多方面都有非常重要的應用，主要包括開普勒定律和第一宇宙速度的計算，科學家們能夠利用該定律對所需天體的質量進行計算，從而推導出飛船繞該天體做圓周運動相應速度，神舟十一號飛船在發射、在軌運行、變軌及對接過程中都運用了萬有引力定律，相關技術人員及航天員能夠通過該定律理解第一宇宙速度的意義，從而精確計算飛船的在軌飛行時間以及變到特定軌道所需要的相對速度。

3 中學物理知識在航天系統中的應用

3.1指導火箭推進原理。火箭推進理論是整個航天工程最基礎的理論之一，火箭發動機能夠使航天器達到所需要的速度，有利于火箭完成基本的圓周運動，宇宙飛船的重量是以噸為單位進行定義的，所以在宇宙飛船發射過程中需要助推火箭的作用，火箭的工作原理是利用反沖運動，將燃料通過燃燒產生的高溫高壓燃氣從火箭尾部噴出，使得火箭獲得巨大的上升速度，在中學物理知識中包括牛頓第三定律，即力的作用是相互的，通過燃料燃燒產生的蒸汽推動飛船的發射，運用反沖作用指導火箭推進器的正常工作。

3.2計算火箭的飛行速度。我國發射的嫦娥三號探測飛船、神舟十一號宇宙飛船在發射過程中都需要多級火箭的推動，多級火箭正是多次利用動量守恒定律計算出飛船的最終速度，通過提高噴氣速度與火箭的質量比來提高火箭的速度，以至于火箭能夠達到或超過第一宇宙速度而脫離地球，在火箭助推器噴氣前后，整個飛船系統是保持動量守恒的，由于噴氣前與噴氣后的質量比發生了變化，在動量保持不變的情況下，噴氣后的飛船就會獲得相對較大的飛行速度，以神舟十一號為例，飛船起飛重量479噸，發射575秒后，與火箭推進器分離，而最終要達到的飛船飛行速度為11.4千米/秒。

3.3進行航天員的體重測量。神舟十號航天員王亞平在太空授課的過程中面向中小學生講解了一些物理知識，其中就包括牛頓第二定律的應用。由于宇航員在太空無法及時獲知自己的體重變化情況，為了檢測航天員在太空的身體變化，必須按時進行體重測量，而應用牛頓第二定律，能夠準確測出航天員的體重變化，在神舟十號實驗中，教師王亞平將助教聶海勝固定在質量測量儀的一端，然后將其拉到一定位置后松手，支架會在彈簧的作用下回到初始位置，在太空中宇航員拉動支架使用的力和支架返回初始位置獲得的加速度是可以測量的，由公式m=F/a，就很容易得出宇航員的體重。

4 結語

載人航天工程涉及到很多中學物理知識，無論是天宮系列空間站的發射還是神舟系列飛船的正常運行，都離不開物理學中一些基本原理的支持，尤其是牛頓運動定律和萬有引力定律，掌握這些原理是發展航天事業的基礎，能夠幫助航天器設計專業人員和航天員解決相關問題，在航天工程的發展中有很重要的應用。

參考文獻：

[1]泉琳.載人航天：中國人的飛天圓夢之路[J].科學新聞，2016.

[2]張健，王鳴曉，趙大鵬.航天技術中的物理學原理[J].科技與創新，2015.