高中物理知識(shí)在航空航天方面領(lǐng)域中的應(yīng)用

黃凱風(fēng)

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)空間的探索研究已經(jīng)不再局限于大氣層以內(nèi)，多種類型的探測(cè)工具使人們對(duì)于宇宙的研究更加深入，在我國(guó)研究人員的不斷努力下，我國(guó)已經(jīng)躋身航天大國(guó)之列，在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了領(lǐng)先地位。本文以高中生的視角對(duì)航空航天領(lǐng)域中的物理知識(shí)應(yīng)用進(jìn)行分析，通過(guò)經(jīng)典例題分析的形式，加深人們對(duì)相關(guān)物理知識(shí)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)高中生物理知識(shí)體系的不斷完善。

關(guān)鍵詞：高中 物理 航空航天 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（c）-0140-02

近年來(lái)，我國(guó)在航空航天領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，神舟系列載人飛船的發(fā)射成功，意味著我國(guó)向著宇宙空間探索又邁進(jìn)了一大步。作為一名高中生，在感嘆祖國(guó)取得的偉大成績(jī)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)意識(shí)到學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的重要意義，尤其是與航空航天相關(guān)的各種學(xué)科知識(shí)，其中就包括高中物理知識(shí)，如萬(wàn)有引力定律、慣性定律等，這些物理知識(shí)的應(yīng)用，成為推動(dòng)我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

1 宇宙飛船發(fā)射位置的選擇

通過(guò)對(duì)美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)等國(guó)家衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)地的分析來(lái)看，發(fā)射中心盡可能選址在低緯度地區(qū)，這一現(xiàn)象的存在可以使用高中物理知識(shí)進(jìn)行解答，其關(guān)鍵在于目前大多數(shù)軌道衛(wèi)星均屬于小軌道傾角衛(wèi)星，在高緯度地區(qū)發(fā)射衛(wèi)星時(shí)，需要耗費(fèi)大量的能量進(jìn)行橫向機(jī)動(dòng)，這對(duì)于載重限制較高的運(yùn)載火箭來(lái)說(shuō)較難實(shí)現(xiàn)，為避免這一問(wèn)題的出現(xiàn)，盡可能選擇在低緯度發(fā)射衛(wèi)星。我國(guó)目前的四大衛(wèi)星發(fā)射中心均處在不同的緯度范圍，這為我國(guó)發(fā)射不同軌道衛(wèi)星提供了多種選擇，尤其是文昌發(fā)射中心，它的建立為我國(guó)高軌道小傾角衛(wèi)星的發(fā)射創(chuàng)造了更為可靠的條件。

除以上內(nèi)容以外，在低緯度地區(qū)發(fā)射宇宙飛船，能夠利用地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的線速度為宇宙飛船加速，從而減少宇宙飛船在達(dá)到逃逸速度之前所消耗的燃料量，進(jìn)而提高飛船的實(shí)際運(yùn)載能力，尤其是地球同步衛(wèi)星的發(fā)射，最佳發(fā)射緯度則為赤道。

2 航天器的變軌、變姿運(yùn)動(dòng)

運(yùn)載火箭將航天器送入太空之后，為減少燃料的消耗，運(yùn)載火箭會(huì)和航天器分離，在分離之后，航天器依靠自身燃料與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行變軌、變姿運(yùn)動(dòng)。如航天器由低軌道進(jìn)入高軌道、航天器對(duì)接時(shí)的橫滾變姿。

2.1 航天器由低軌道進(jìn)入高軌道的物理原理

根據(jù)物理學(xué)定義，航天器由低軌道進(jìn)入高軌道的過(guò)程中其勢(shì)能增加，在能量守恒定律的要求下，則需要通過(guò)外力為航天器提供能量，這就需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)增加其速度，使其能夠打破在低軌道上的受力平衡，并進(jìn)入到更高軌道。然而，在到達(dá)預(yù)定軌道之后，由萬(wàn)有引力公式（1）可知，此時(shí)航天器所受的萬(wàn)有引力會(huì)減小，因此，為保證受力平衡，其運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力應(yīng)當(dāng)與當(dāng)前軌道的萬(wàn)有引力保持一致。

（1）

在這種情況下，根據(jù)F引=F離的關(guān)系可以進(jìn)行以下計(jì)算：

（2）

化簡(jiǎn)后可知，，其中，G為引力常量，M為地球質(zhì)量，r為航天器與地心的距離。隨著r的增大，航天器所需要的線速度也將減小，所以，當(dāng)航天器通過(guò)加速由低軌道進(jìn)入高軌道之后，則需要啟動(dòng)反向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速，使航天器再次處于受力平衡狀態(tài)。

2.2 航天器的姿態(tài)調(diào)整

在觀看神舟飛船與“天宮一號(hào)”對(duì)接實(shí)況直播視頻的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)在操作員面前的顯示器上有著兩個(gè)十字交叉線，該十字交叉線就是用來(lái)觀察神舟飛船與“天宮一號(hào)”在對(duì)接過(guò)程中相互之間姿態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)線。操作員首先將兩個(gè)十字交叉線的中心對(duì)準(zhǔn)；其次，通過(guò)啟動(dòng)神舟飛船上發(fā)動(dòng)機(jī)的方式使神舟飛船進(jìn)行滾動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)十字交叉線的重合，具體如圖1所示。

由于姿態(tài)是否匹配直接影響到神舟飛船與“天宮一號(hào)”的對(duì)接能否成功，因此，操作員需要對(duì)航天器的滾動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。為節(jié)省燃料，則多選擇開(kāi)動(dòng)連線經(jīng)過(guò)航天器中心的兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)A、B，且兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的矢量方向相反，此處將整航天器看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)力的矢量合成可知FA產(chǎn)生的角加速度為ωA=，ωB=，ωA與ωB的方向相同，因此，航天器開(kāi)始形成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的線速度，進(jìn)而十字交叉線開(kāi)始向預(yù)定狀態(tài)靠近。

在神舟飛船滾動(dòng)一定角度之后，反向開(kāi)啟航天器的A、B發(fā)動(dòng)機(jī)，即形成與當(dāng)前旋轉(zhuǎn)線速度相反的線加速度ωA′與ωB′，進(jìn)而使航天器的線速度逐漸降低至零，在兩個(gè)十字交叉線相互重疊之后進(jìn)入零線速度狀態(tài)，操作員才將神舟飛船與“天宮一號(hào)”進(jìn)行對(duì)接。

3 宇航服中的物理知識(shí)

眾所周知，太空為真空環(huán)境，人類在沒(méi)有保護(hù)的情況下是無(wú)法在太空中生存的，因此，為保障宇航員的生命安全，研究人員設(shè)計(jì)出了具有多種功能的宇航服，其中就用到了大量的物理學(xué)知識(shí)。

首先，宇航服的第一層為特殊材質(zhì)的多功能層，由于宇航員外部工作環(huán)境較為惡劣，為保證其安全，該層須具備防輻射、防磨、防刺等多種功能。其中，宇宙環(huán)境中的各種輻射對(duì)宇航員的身體健康狀況有著一定的影響，研究人員利用鍍鋁材料作為第一層的主要材料，從而抵擋住了大量宇宙射線。

其次，宇航服的第二層為氣密層，在沒(méi)有防護(hù)的情況下，人處于宇宙真空環(huán)境時(shí)會(huì)導(dǎo)致身體內(nèi)的氣體快速膨脹、血液“沸騰”，在短時(shí)間內(nèi)人類將會(huì)“爆炸”。為此，研究人員利用加壓氣密的方法實(shí)現(xiàn)宇航服內(nèi)部氣壓的穩(wěn)定，在第二層的約束力下保證宇航服不會(huì)因氣壓差的存在而產(chǎn)生形變。

再次，宇航服的第三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為隔熱層，以月亮為例，正對(duì)太陽(yáng)一側(cè)與背對(duì)月亮一側(cè)的溫差可達(dá)上百攝氏度，環(huán)形山的不同位置受光照的影響也存在巨大的溫差，為解決該問(wèn)題，研究人員利用冷卻循環(huán)系統(tǒng)保證其內(nèi)部溫度的穩(wěn)定，利用水的大比熱容來(lái)避免溫度的快速變化，從而保證了宇航員能夠在適宜的環(huán)境溫度下工作。

最后，宇航服所配備的頭盔多為雙層設(shè)計(jì)，除能夠承受大氣壓強(qiáng)的作用外，還可以過(guò)濾掉大量的有害射線。并且，在宇宙環(huán)境中太陽(yáng)光直射人眼將導(dǎo)致瞳孔的快速收縮，影響宇航員視力，因此，除面窗以外，宇航服還在頭盔上增加了遮光窗，該遮光窗使用的材料具有多適串的光譜性質(zhì)，能夠利用其寬而多的吸收帶、吸收系數(shù)將強(qiáng)光進(jìn)行阻隔，從而在不影響宇航員正常視線的情況下，避免宇航員在航天器外工作時(shí)對(duì)眼睛造成傷害。

4 結(jié)語(yǔ)

在航空航天領(lǐng)域，高中物理知識(shí)可以用來(lái)解答其中一些較為常見(jiàn)的現(xiàn)象，隨著對(duì)此研究的深入進(jìn)行，其中所涉及到的物理知識(shí)將更加廣泛，進(jìn)而能夠激起我們高中生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。不僅如此，通過(guò)了解航空航天中物理知識(shí)的應(yīng)用，還有助于高中生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在促進(jìn)物理知識(shí)體系不斷完善的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)個(gè)人的全面發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳銘.航天知識(shí)與高中物理[J].數(shù)字通信世界，2018（1）：202，205.

[2] 梁子麒.高中物理中的航天知識(shí)探討[J].中華少年，2017（36）：12，15.

[3] 俞樺.對(duì)高中物理教學(xué)中拓展天文和航天知識(shí)的思考[J].考試周刊，2012（66）：23，24.