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嫦娥一号升空过程及所涉及到的物理原理


嫦娥一号升空过程及所涉及到的物理原理

一、“嫦娥一号”的探月过程 1. 升 空
2 0 0 7 年 1 0 月 2 4 日 18 时 0 5 分 ,长 征 三 号 甲 运 载 火 箭 搭 载“ 嫦 娥 一 号 ” 探 月 卫 星 成 功 地 进 入 环 绕 地 球 的 预 定 轨 道 ( 即 16 小 时 轨 道 ) 。

2.环绕地球运行
(1)第一次变轨。 25 日 17 时 55 分,北京航天飞行控制中心按照预定计划,向在太 空飞行的“嫦娥一号”卫星发出变轨指令,对其实施远地点变轨。指令发出 130 秒后,卫星 远地点变轨 ..... 近地点高度由约 200 公里抬高到约 600 公里,变轨圆满成功。这次变轨表明,“嫦娥一号” 卫星推进系统工作正常,也为随后进行的 3 次近地点变轨奠定了基础。这次变轨是“嫦娥一 号”卫星在约 16 小时周期的大椭圆轨道上运行一圈半后,在第二个远地点时实施的。 椭圆轨道 .... (2)第二次变轨。26 日 17 时 33 分,北京航天飞行控制中心向“嫦娥一号”卫星发出 指令,开始实施第二次变轨。这是卫星的第一次近地点变轨。11 分钟后,远望三号测量船 近地点变轨 ..... 传来消息,卫星变轨成功。 变轨前,北京飞控中心对轨道参数及控制参数进行了精确计算,

随后向在太空飞行了 3 圈处于近地点的“嫦娥一号”卫星发送了高精度控制指令,卫星主发 动机准时点火,使卫星进入 24 小时周期椭圆轨道,远地点高度由 5 万多公里提高到 7 万多 椭圆轨道 .... 公里。这次变轨为卫星在预定时间到达设计的地月转移入口点创造了条件。

(3)第三次变轨。29 日 18 时 01 分,“嫦娥一号”卫星成功实施第三次变轨,这也是 卫星入轨后的第二次近地点变轨。“嫦娥一号”卫星在 24 小时轨道飞行第3圈时,远望三 近地点变轨 ..... 号测量船在近地点顺利发现目标, 把相关数据传送到北京航天飞行控制中心, 同时把有关指 令发至“嫦娥一号”卫星。实行这次近地点变轨后,卫星由 24 小时周期轨道进入 48 小时周 期椭圆轨道,远地点高度将由 7 万多公里提高到 12 万多公里。 “嫦娥一号”卫星进入 48 椭圆轨道 .... 小时周期轨道后, 先后开启太阳风离子探测器和太阳高能粒子探测器, 进行数据采集和环境 探测。

3.实现绕地、月转移
31 日 17 时 15 分,“嫦娥一号”卫星接到指令,发动机工作 784 秒后,正常关机。17 时 28 分“嫦娥一号”在 48 小时周期轨道上运行 1 圈后,成功实施第三次近地点变轨,顺利 近地点变轨 ..... 进入地、月转移轨道,开始飞向月球。这也是卫星入轨后的第四次变轨。进入地、月转移轨 道后,“嫦娥一号”卫星在地月转移轨道只进行了一次中途修正,就直飞月球捕获点。

4.环绕月球运行
(1)第一次制动。11 月 5 日 11 时 37 分,北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星 成功实施了第一次近月制动,顺利完成第一次“太空刹车”动作,月球捕获卫星,卫星成功 近月制动 .... 进入 12 小时绕月椭圆轨道。这次制动的目的是,降低“嫦娥一号”卫星的飞行速度,以防 椭圆轨道 .... 逃逸月球。

(2)第二次制动。11 月 6 日 11 时 35 分,北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星 成功实施了第二次近月制动, 近月制动 卫星顺利进入周期为 3.5 小时的环月小椭圆轨道。 椭圆轨道 第二次近月 .... .... 制动主要目的是使“嫦娥一号”进一步降低飞行速度,使其进入“过渡”轨道,从而为卫星 最终进入工作轨道做准备。

(3)第三次制动。11 月 7 日 8 时 24 分,“嫦娥一号”卫星主发动机点火,实施第三 次近月制动。8 时 35 分,“嫦娥一号”卫星主发动机关机,第三次近月制动结束。“嫦娥 近月制动 .... 一号” 卫星从近月点高度 212 公里、 远月点高度 8617 公里的椭圆轨道, 成功调整到周期 127 分钟、高度 200 公里的极月圆圆形轨道,从而正式进入科学探测的工作轨道。 圆形轨道 .... 至此, “嫦娥一号” 经过长途跋涉,耗时 13 天 14 小时 30 分钟终于成为月球的一颗“人 造卫星”。

5.返回地球过程
(1)飞离月球过程 当“嫦娥一号”完成绕月计划计划后,需要脱离月球的束缚,返回 地球。这时就可以再次点燃发动机,给“嫦娥一号”加速,提高其绕月环绕高度,直至脱离 月球的吸引,奔向地球。

(2)飞向地球过程 在“嫦娥一号”飞向地球的过程中也需要调整其飞行速度,改变其 航向,直至被地球俘获,继而成为地球的一颗“人造卫星”。

(3)返回地球过程 在“嫦娥一号”环绕地球运行过程中,继续实施变轨,降低绕行速 度,选择适当位置,最后在发动机制动及降落伞的作用下安全着陆到地球。

二、“嫦娥一号”飞行过程中主要涉及的物理原理
“嫦娥一号” 的整个飞行过程是一个相当复杂的过程, 其中涉及到许多科学原理和科学 技术问题,这里不可能一一列出,现就其中的主要物理原理分析如下。

1.升空过程中的物理原理
在“长三甲”运载火箭将“嫦娥一号”送入太空的过程中,要求其发射速度至少到第一 宇宙速度

由于卫星飞离地球时有一定的高度, 即距离地心的距离要大于地球的半径, 因此卫星要 飞离地球其速度要大于第一宇宙速度。只有这样才能保证“嫦娥一号”不至被火箭“抛出” 后落回地面。

运载火箭上升过程中所遵从的物理原理是我们所熟知的动量定理 (近似情况下, 可视整 个系统的动量守恒),即火箭在氢气燃料燃烧后向下喷出火焰所施加的持续反冲力作用下, 加速上升,由于“长三甲”是捆绑式分级火箭,每当抛出一级火箭后,整个运载火箭的质量 就大大减小,这样就能获得更大的加速度(物体在一定力的作用下,其的质量越小,所能获 得的加速度就越大——牛顿第二定理),直至将“嫦娥一号”的速度提升到发射速度。

火箭在大气层内运动的过程中, 与大气的摩擦力是很大的, 摩擦力做功会使大量的机械 能转化为热能,导致火箭表面的温度到达很高。因此,火箭、卫星外层要用由耐高温材料制 作的防护罩来保护。

2. 环绕地、月运行过程中所遵从的物理原理
“嫦娥一号”在环绕地、月运行过程中,分别以地球与月球所施加的万有吸引力为其做 圆周运动的向心力,飞行的高度不同,其运行的速度不同。根据开普勒第二定律(即在相等 的时间内扫过的面积相等) 在近地、 , 月点运行的速度快, 而在远地、 月点运行的速度慢 (即 卫星离地、月的距离越远其运行的速度就越小)。在“嫦娥一号”数次变轨(绕地、月)的 过程中,由于其距离地、月表面的高度不同,其绕行的速度也就不一样。

3.绕地、月转移(由“绕地”向“绕月”转移和由“绕月”向“绕地”转 移)过程中所遵从的物理原理
由于地球与月球的质量相差甚远,卫星要实现地、月之间的转移,就需要改变其运行的 速度,否则就无法逃脱地球或月球的吸引。

4.着陆地球过程中所遵从的物理原理
要实现卫星着陆地球,就要其运动速度小于环绕地球运行的最小速度(即第一宇宙速 度),因此,在卫星装备着陆时需要进一步地降低运动速度。而在其下落过程中,由于受地 球引力的作用,其运动速度会不断增大,若不采取措施,落地的速度就会很大。因此,在其 下落过程中又要采取降速的措施, 即通过制动以及降落伞为返回的卫星减速, 以便安全着陆。 在“登月车”着陆月球时,原理大致相同。

当然,关于“嫦娥一号”的实际探月过程,要比我们这里分析的复杂得多。 这是因为我们在分析的过程中未考虑地球和月球的自传以及地球与月球之间的 相互作用,事实上,“嫦娥一号”的运行过程涉及到的是三体(地球、月球、卫 星)问题,而不是我们这里予以简化的两体(卫星与地球或月球与卫星)问题。 虽然三体运动问题的实际情况要比两体的复杂许多,但无论哪种情况,所遵从的 基本物理原理是一样的。


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