高中物理知识在航空航天方面领域中的应用

发布时间：2021-05-04

随着科学技术的发展，人类对空间的探索研究已经不再局限于大气层以内，多种类型的探测工具使人们对于宇宙的研究更加深入，在我国研究人员的不断努力下，我国已经跻身航天大国之列，在相关技术领域已经取得了领先地位。在感叹祖国取得的伟大成就的同时，我们来浅析一下其中其中包含的高中阶段物理知识，如万有引力定律、惯性定律等，这些物理知识是航空航天事业发展的基础。

1 宇宙飞船发射位置的选择

通过对美国、俄罗斯、中国等国家卫星发射场地的分析来看，发射中心尽可能选址在低纬度地区，这一现象的存在可以使用高中物理知识进行解答，其关键在于目前大多数轨道卫星均属于小轨道倾角卫星，在高纬度地区发射卫星时，需要耗费大量的能量进行横向机动，这对于载重限制较高的运载火箭来说较难实现，为避免这一问题的出现，尽可能选择在低纬度发射卫星。我国目前的四大卫星发射中心均处在不同的纬度范围，这为我国发射不同轨道卫星提供了多种选择，尤其是文昌发射中心，它的建立为我国高轨道小倾角卫星的发射创造了更为可靠的条件。

除以上内容以外，在低纬度地区发射宇宙飞船，能够利用地球自转产生的线速度为宇宙飞船加速，从而减少宇宙飞船在达到逃逸速度之前所消耗的燃料量，进而提高飞船的实际运载能力，尤其是地球同步卫星的发射，最佳发射纬度则为赤道。

2 航天器的变轨、变姿运动

运载火箭将航天器送入太空之后，为减少燃料的消耗，运载火箭会和航天器分离，在分离之后，航天器依靠自身燃料与发动机进行变轨、变姿运动。如航天器由低轨道进入高轨道、航天器对接时的横滚变姿。

2.1 航天器由低轨道进入高轨道的物理原理

根据物理学定义，航天器由低轨道进入高轨道的过程中其势能增加，在能量守恒定律的要求下，则需要通过外力为航天器提供能量，这就需要启动发动机增加其速度，使其能够打破在低轨道上的受力平衡，并进入到更高轨道。然而，在到达预定轨道之后，由万有引力公式（1）可知，此时航天器所受的万有引力会减小，因此，为保证受力平衡，其运动所产生的离心力应当与当前轨道的万有引力保持一致。

随着高度半径的增大，航天器所需要的线速度也将减小，所以，当航天器通过加速由低轨道进入高轨道之后，则需要启动反向发动机进行减速，使航天器再次处于受力平衡状态。

2.2 航天器的姿态调整

在观看神舟飞船与“天宫一号”对接实况直播视频的过程中，我们发现在操作员面前的显示器上有着两个十字交叉线，该十字交叉线就是用来观察神舟飞船与“天宫一号”在对接过程中相互之间姿态的标准线。操作员首先将两个十字交叉线的中心对准；其次，通过启动神舟飞船上发动机的方式使神舟飞船进行滚动，进而实现两个十字交叉线的重合，具体如图1所示。

由于姿态是否匹配直接影响到神舟飞船与“天宫一号”的对接能否成功，因此，操作员需要对航天器的滚动姿态进行调整。为节省燃料，则多选择开动连线经过航天器中心的两个发动机A、B，且两个发动机推力的矢量方向相反，此处将整航天器看作一个质点，根据力的矢量合成可知FA产生的角加速度为ωA=，ωB=，ωA与ωB的方向相同，因此，航天器开始形成逆时针旋转的线速度，进而十字交叉线开始向预定状态靠近。

在神舟飞船滚动一定角度之后，反向开启航天器的A、B发动机，即形成与当前旋转线速度相反的线加速度ωA′与ωB′，进而使航天器的线速度逐渐降低至零，在两个十字交叉线相互重叠之后进入零线速度状态，操作员才将神舟飞船与“天宫一号”进行对接。

3 宇航服中的物理知识

众所周知，太空为真空环境，人类在没有保护的情况下是无法在太空中生存的，因此，为保障宇航员的生命安全，研究人员设计出了具有多种功能的宇航服，其中就用到了大量的物理学知识。

首先，宇航服的第一层为特殊材质的多功能层，由于宇航员外部工作环境较为恶劣，为保证其安全，该层须具备防辐射、防磨、防刺等多种功能。其中，宇宙环境中的各种辐射对宇航员的身体健康状况有着一定的影响，研究人员利用镀铝材料作为第一层的主要材料，从而抵挡住了大量宇宙射线。

其次，宇航服的第二层为气密层，在没有防护的情况下，人处于宇宙真空环境时会导致身体内的气体快速膨胀、血液“沸腾”，在短时间内人类将会“爆炸”。为此，研究人员利用加压气密的方法实现宇航服内部气压的稳定，在第二层的约束力下保证宇航服不会因气压差的存在而产生形变。

再次，宇航服的第三层结构设计为隔热层，以月亮为例，正对太阳一侧与背对月亮一侧的温差可达上百摄氏度，环形山的不同位置受光照的影响也存在巨大的温差，为解决该问题，研究人员利用冷却循环系统保证其内部温度的稳定，利用水的大比热容来避免温度的快速变化，从而保证了宇航员能够在适宜的环境温度下工作。

最后，宇航服所配备的头盔多为双层设计，除能够承受大气压强的作用外，还可以过滤掉大量的有害射线。并且，在宇宙环境中太阳光直射人眼将导致瞳孔的快速收缩，影响宇航员视力，因此，除面窗以外，宇航服还在头盔上增加了遮光窗，该遮光窗使用的材料具有多适串的光谱性质，能够利用其宽而多的吸收带、吸收系数将强光进行阻隔，从而在不影响宇航员正常视线的情况下，避免宇航员在航天器外工作时对眼睛造成伤害。

在航空航天领域，高中物理知识可以解答其中一些较为常见的现象，其中所涉及到的物理知识能够激起我们高中学生对物理学习的兴趣，在促进物理知识体系不断完善的基础上，实现个人的全面发展。

临沂爱丽斯国际学校信息中心

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