高中物理知識在航空航天領域的應用初探

鄭杰

【摘? ?要】在科學技術快速發展的過程中，人們對航空航天領域的探索也在不斷拓展，多種探測器的研發為宇宙探索提供了技術保障。當前，我國航天航空領域技術已占據世界前列。本文主要分析研究了高中物理知識在航空航天領域的應用，希望能使高中生更扎實地掌握相關物理知識，提高學習興趣，為工作實踐奠定基礎。

【關鍵詞】高中物理知識;航空航天;應用分析

我國在航空航天領域的發展速度不斷加快，載人飛船的研發標志著我國全面進入新的宇宙探索時期。對于高中生來說，應當充分認識到技術進步對國家發展的意義，特別是航空航天領域的發展，標志著國家科技水平的層次高下。在高中物理知識體系中，慣性定律及萬有引力定律等均屬航空航天技術研發應用的高中物理知識。因此，通過具體分析高中物理知識在航空航天領域的應用，既能增加高中生物理知識的儲備量，也可使同學們認真鉆研，增強學好物理學的榮譽感。

1.高中物理知識與航空航天領域的關聯性

在我國航空航天領域快速發展背景下，高中課本與相關考試中也出現了大量與航空航天有關的知識和試題，由此可以看出，物理知識在科技發展中的作用和價值。在對高中物理知識體系進行梳理時能夠看出，能量守恒、電磁學、力學以及運動學等知識均與航空航天領域存在一定關聯性。

比如，我國航空航天領域的衛星發射，會涉及到作用力原理及萬有引力等物理知識，并在此基礎上進一步深化。因航空航天屬于高度融合科技，在研發過程中需要以高中物理知識應用為基礎，結合大量現代技術和理論知識，高中學生不應滿足于書本，要學會打牢基礎，用延伸學習來拓寬視野。

再比如，通過鉆研遙感技術、計算機技術、電子技術等，可為高中生心頭的航天夢增磚添瓦。以上技術原理學習，都需高中物理知識做支撐。譬如，高中物理電磁學的學習，能使同學們認識和掌握電力基礎資源對航空航天的支持和鋪墊，從而增強研究高效電力、電子的信心，促進國家高新技術向深層次發展。

2.高中物理知識在航空航天領域的應用

2.1天體質量與密度計算

航空航天領域，在計算天體質量與密度時，主要應用高中物理中的開普勒行星運動定律。開普勒軌道與面積定律表面天體運行軌跡與規律，行星繞著太陽運動的軌跡均為橢圓形，太陽處于橢圓的焦點。所有行星與太陽之間的連線所掃過的面積相等，這就表明在近日點運動速率比較大，遠日點運動速率比較小。開普勒第三定律為運動周期定律，圍繞行星的軌道半長軸次方與公轉周期平方比值相同。從天體表面應力加速度與半徑關系中能夠獲取天體密度與質量，此時，萬有引力與中心力相同，能夠計算出中心天體質量。當天體周邊衛星軌跡圍繞天體軌跡展開，軌道半徑就是天體半徑，進一步可得知天體的密度。當圍繞天體運行的衛星運行軌跡為已知數值，此時就能獲取中心天體密度。

其次，由于高中物理知識中包含功與能等知識點，在航空航天技術中，功與能結合萬有引力，能使學生更深刻地理解高中物理知識與航空航天技術的關聯性。所以，深入了解和掌握功與能之間的有效轉換、明確能量守恒定律的適用范圍顯得非常重要。在天體運行過程中，涉及的物理知識較多，比如航天器進入太空之后，會產生第一、第二、第三宇宙速度，此時就可解決天體運行。這些知識需要進行不斷延伸學習。

2.2選擇飛船發射位置

通過對我國衛星發射位置的分析可以看出，發射地區多選擇在緯度較低的地區。通過高中物理知識體系得知，大部分軌道衛星是小軌道傾角衛星，若選擇傾度較高的地區發射，需要較大能量實現橫向機動，此時就會出現運載火箭發射困難的問題。為防止出現這種不可回避的隱憂，需優先選擇緯度較低的地區。

我國現有衛星發射中心都位于不同緯度范圍內，使衛星發射軌道具有多種選擇性。宇宙飛船選擇在緯度較低的區域內發射，可通過地球自轉線速度加快飛船速度，避免到達逃逸位置前已消耗大量燃料的情況，從而顯著提升飛船的運載能力。在發射地球同步衛星時，應將赤道作為最大發射緯度。

2.3航天器變姿與變軌運動

在將航天器送入太空后，為降低燃料消耗，需要分離航天器與運載火箭。此時，航天器需要利用發動機與燃料實現變姿、變軌運動。例如，航天器從低軌道進入到高軌道時的橫滾變姿。

（1）低軌道—高軌道物理原理：按照物理定義能看出，航天器從低軌道向高軌道行駛過程中會增加勢能。由高中能量守恒定律可知，利用外力能將能量提供給航天器，此時需提升發動機速度，使其消除低軌道受力平衡狀態，促其進入高軌道中。但是，到達預設軌道后，通過萬有引力公式可知，航天器進入高軌道時會使萬有引力減小，所以為確保受力平衡，應使運動離心力與軌道萬有引力一致。

此種條件下，按照能量守恒定律可進行以下計算：

在（1）式和（2）式中，G—引力常量;r—航天器與地心距離;M—地球質量。隨著航天器與地心距離持續增大，會減小航天器線速度。以此證明，航天器進入高軌道之后，需要通過反向發動機實現減速，確保航天器處于受力平衡狀態。

（2）調整航天器姿態：從天宮一號與神舟飛船對接直播視頻能夠看出，操作顯示器上存在兩條十字交叉線，該交叉線主要對天宮一號與神舟飛船對接姿態標準線進行觀察。操作人員通過對準十字交叉線中心，之后啟動飛船發動機，以此促進飛船滾動，使兩個十字交叉線重合。

姿態匹配效果，會對天宮一號與神舟飛船對接造成直接影響;所以，操作人員需要優化調整航天器滾動姿態。為降低燃料消耗量，需經航天器中心發動機進行開動連線，使發動機推力方向相反，此時將航天器視為質點，按照力矢量合成能明確角加速度。航天器按逆時針旋轉方向形成線速度，在十字交叉線靠近預定狀態。

飛船在滾動至一定角度時，會使航天器兩個發動機反向開啟。此時，就會形成與旋轉線速度相反的線加速度，降低航天器線速度。在兩條十字交叉線重疊之后，操作人員進行天宮一號與神舟飛船對接。

2.4宇航服中的高中物理知識應用

由于太空屬于真空環境，人類若無防護措施，將不能存在于太空中，所以為確保宇航員安全，進入太空時需穿戴專門的宇航服，在設計宇航服時應用了大量高中物理學知識。宇航服首層為特殊材質功能層，由于太空環境比較復雜，為了確保宇航員安全，應當確保防輻射和防磨損。在太空環境中存在多種輻射源，會危害宇航員安全。所以，在設計宇航服時，需要將鍍鋁材料作為首層材料，以此抵抗宇宙輻射。

宇航服第二層是氣密層，宇航員在無防護狀態下進入太空環境時，會導致體內氣體膨脹，肌體血液出現沸騰。因此，在設計宇航服時，需通過加壓氣密方法穩定其內部氣壓。在氣密層約束下，確保宇航服不會因氣壓差出現變形。

宇航服第三層為隔熱層，由于太空環境內溫度差會高達上百攝氏度，不同位置所受的太陽輻射也不同，此時就會加大溫度差。為處理該項問題，可通過高中物理中的水比熱容知識穩定溫度變化，以此確保宇航員能夠在適宜溫度下進行操作。

3.結束語

綜上所述，將高中物理知識應用到航空航天領域，可以有效處理各種疑難問題。通過對航空航天知識的深入探索，會涉及較多更深的物理專業知識，以此提升高中生對物理知識的興趣度;其次，將高中物理知識應用于航空航天上，能夠培養同學們的實踐操作能力，不斷完善和優化物理知識體系。

【參考文獻】

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