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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AB,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=ωAωB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AB发动机,即形成与当前旋转线速度相反的线加速度ωA′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

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。

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本文章转自网站文件



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