高中物理知識(shí)在航空航天中的應(yīng)用實(shí)例分析

摘要：近十幾年來(lái)，隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速崛起，神州系列飛船及嫦娥系列衛(wèi)星的成功發(fā)射，國(guó)人的航天夢(mèng)正在穩(wěn)步向前邁進(jìn)。在我國(guó)航天事業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，航空航天相關(guān)的熱點(diǎn)話(huà)題在高考中體現(xiàn)的越來(lái)越明顯。這也體現(xiàn)了物理知識(shí)在科技發(fā)展、生活應(yīng)用等方面的實(shí)踐要求。為此我想就萬(wàn)有引力定律在天體運(yùn)動(dòng)中的綜合應(yīng)用、天體運(yùn)動(dòng)中功和能方面來(lái)展開(kāi)我理解的航空航天應(yīng)用中的物理問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高中物理；航空航天；實(shí)例分析

基于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)在諸多科研領(lǐng)域取得了一系列的成果，尤其是以航空航天方面的發(fā)展最具有代表性，自神舟系列飛船的發(fā)射成功，我國(guó)在航空航天領(lǐng)域和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距不斷縮小。作為一名高中生，除了對(duì)我國(guó)航空航天技術(shù)研究取得的成果感到自豪以外，也需要深入了解其中的科學(xué)知識(shí)，與高中各學(xué)科之間建立更加緊密的聯(lián)系。作為與航空航天研究較為密切的物理學(xué)科來(lái)說(shuō)，高中階段物理學(xué)中的力學(xué)等知識(shí)點(diǎn)能夠解答一些較為基礎(chǔ)的現(xiàn)象。

一、高中物理知識(shí)與航空航天技術(shù)的聯(lián)系

人類(lèi)對(duì)于天文方面的研究自很早以前就開(kāi)始了，并且，天文學(xué)對(duì)人類(lèi)文明發(fā)展的重要性不斷增加，基于天體運(yùn)行規(guī)律的24節(jié)氣就由此而來(lái)，我國(guó)著名天文學(xué)家、科學(xué)家張衡的渾天儀就是古代人們研究天文學(xué)知識(shí)的偉大成果。然而，為了深入探究天文學(xué)知識(shí)，人類(lèi)曾試著通過(guò)各種方式進(jìn)入太空，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)之后，人類(lèi)已經(jīng)掌握了多種進(jìn)入太空的方式。

眾所周知，進(jìn)入太空需要擺脫地球引力的作用，從高中物理知識(shí)體系中的萬(wàn)有引力定律可以發(fā)現(xiàn)，這種來(lái)自地球的力量是強(qiáng)大的，以當(dāng)前我國(guó)所使用的運(yùn)載火箭為例，則需要使用大量的燃料才能夠?qū)⒁欢ㄙ|(zhì)量的人和物質(zhì)運(yùn)送到太空之中。不僅如此，在航空航天的具體實(shí)施過(guò)程中，還需要對(duì)發(fā)射時(shí)間、地點(diǎn)等相關(guān)要素進(jìn)行分析，運(yùn)用物理學(xué)知識(shí)，保證運(yùn)載火箭能夠沿著預(yù)定軌跡進(jìn)入指定高度的運(yùn)行軌道。

二、高中物理學(xué)知識(shí)在航空航天中的應(yīng)用實(shí)例

在航空航天領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭、在軌衛(wèi)星或在軌飛行器的正常工作，使用到了大量的物理學(xué)知識(shí)，其中就包括我們?cè)诟咧须A段所學(xué)的物理知識(shí)體系。

1.在軌飛行器的變軌

受地球引力的作用，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的在軌飛行之后，飛行器的高度將無(wú)法持續(xù)保持，運(yùn)行軌道的近地點(diǎn)高度不斷下降，如不加以控制，則會(huì)導(dǎo)致飛行器墜入大氣層而燒毀。為避免這一悲劇的發(fā)生，研究人員在飛行器的各個(gè)位置安裝了多個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)當(dāng)前飛行器的姿態(tài)，分析進(jìn)入調(diào)整軌道過(guò)程中各個(gè)方向所需要的力的大小，選擇與之相適應(yīng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，進(jìn)而維持飛行器的軌道穩(wěn)定，或者是進(jìn)入新的軌道。

這里需要注意的是，多個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的力具有矢量特性，為最大限度的減少對(duì)能源的浪費(fèi)，則需要采取最佳的火箭點(diǎn)火方案，使其能夠反向抵消地球的萬(wàn)有引力作用。

2.地球同步衛(wèi)星中的物理知識(shí)

所謂地球同步衛(wèi)星，是指與地球運(yùn)轉(zhuǎn)角速度相同的衛(wèi)星，為實(shí)現(xiàn)對(duì)固定區(qū)域的持續(xù)性監(jiān)測(cè)，人們?cè)诒姸嘈l(wèi)星運(yùn)行軌道中發(fā)現(xiàn)了一種較為特殊的軌道，這就是地球同步運(yùn)行軌道，在這一軌道上的衛(wèi)星，也就稱(chēng)為地球同步衛(wèi)星。

根據(jù)萬(wàn)有引力定律進(jìn)行計(jì)算，地球同步衛(wèi)星的軌道高度約為3.6×107米，并且，這一高度與衛(wèi)星的質(zhì)量沒(méi)有任何關(guān)系。除了高度固定外，地球同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌道與赤道為同心圓環(huán)，為實(shí)現(xiàn)地球同步衛(wèi)星的正常運(yùn)行，依據(jù)高中物理中的相關(guān)力學(xué)知識(shí)，則需要注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

首先，地球同步軌道衛(wèi)星的運(yùn)行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同；

其次，在軌道傾角方面，地球同步維修的軌道傾角為0°；

第三，由于地球同步衛(wèi)星軌道較高，因此，在發(fā)射過(guò)程中為減少燃料的攜帶量，則多采取二次變軌的方式進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)衛(wèi)星由運(yùn)載火箭送入太空后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)入一級(jí)停泊軌道，其遠(yuǎn)地點(diǎn)Q距離地面的距離也就是3.6×107米，在Q點(diǎn)加開(kāi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)有引力、火箭助推力的平衡，并進(jìn)入地球同步衛(wèi)星軌道。

由于地球同步衛(wèi)星軌道僅有一個(gè)，所以，隨著地球同步衛(wèi)星數(shù)量的增加，地球同步軌道資源也在不斷縮減，這對(duì)于掌握同步軌道衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)的國(guó)家來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

3.《火星救援》中的太空對(duì)接問(wèn)題

人類(lèi)探索太空的足跡正在逐漸延伸，作為距離地球較遠(yuǎn)的火星，人類(lèi)已經(jīng)制定了登陸計(jì)劃，而在相關(guān)科幻電影中，就對(duì)此進(jìn)行了描述。2015年較為著名的《火星救援》就是以此為題材，其中部分場(chǎng)景中的所使用到的高中物理學(xué)知識(shí)也讓我們記憶深刻。

當(dāng)科研小組返回火星救援馬克時(shí)，科研小組組長(zhǎng)采取空中對(duì)接方案時(shí)，由于馬克所乘坐航空器燃料有限，在火星引力的作用下無(wú)法達(dá)到指定高度，因而與科研小組乘坐的飛船存在軌道高度差，根據(jù)萬(wàn)有引力定律可以明確，馬克在地軌道的線(xiàn)速度要大于高軌道飛船的線(xiàn)速度，以飛船為參照物的情況下，馬克相對(duì)于飛船的速度已經(jīng)達(dá)到了42米/秒，在這樣的情況下，則無(wú)法進(jìn)行人工對(duì)接。為保證飛船返回所需燃料，組長(zhǎng)采取了爆破尾艙，利用大氣壓強(qiáng)的方式降低自身速度，從而實(shí)現(xiàn)飛船變軌，從而完成與馬克完成近距離低速對(duì)接。

這里需要解釋的是，當(dāng)在軌飛行器的線(xiàn)速度降低后，將受到萬(wàn)有引力的作用降低軌道，在降低的過(guò)程中，其速度也會(huì)不斷增加，但是，這一增加量卻不足以使其穩(wěn)定在某一軌道上，除非提供新的線(xiàn)速度增量，否則，飛行器將會(huì)墜毀。

三、總結(jié)

物理知識(shí)源于人們對(duì)生活中各種現(xiàn)象的總結(jié)，屬于應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科之一，航空航天技術(shù)的發(fā)展為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與國(guó)防建設(shè)方面提供了重要保障，作為高中生的我們，應(yīng)當(dāng)努力學(xué)習(xí)物理知識(shí)，加深對(duì)物理學(xué)科的認(rèn)識(shí)，在完善自身物理知識(shí)體系的同時(shí)，具備使用物理學(xué)知識(shí)解釋航空航天中各種現(xiàn)象的能力，甚至為我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]航天領(lǐng)域涉及的高中物理知識(shí)探究[J].熊夢(mèng)飛.科學(xué)咨詢(xún)（教育科研）.2018 （02）

[2]高中物理知識(shí)在生活中的應(yīng)用分析[J].張海扶.科技風(fēng).2018 （13）

[3]萬(wàn)有引力與航天高考問(wèn)題探析[J].陶漢斌，樓松年.中學(xué)教學(xué)參考.2015 （26）

作者簡(jiǎn)介：王鶴潼，女，漢族，籍貫：遼寧，沈陽(yáng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)學(xué)生。