论论述“嫦娥一号”奔月的主要过程及其其中的物理学原理.doc

论述“嫦娥一号”奔月的主要过程 及其其中的物理学原理 郭怡君 摘要: 本文通过对“嫦娥一号”奔月过程的阐述，对其中所应用的主要物理学原理的进行了分析。 关键词: “嫦娥一号”；万有引力定律；开普勒第二定律 1. 引言 1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，从此，开创了人类航天时代的新纪元。三十多年来，伴随着空间活动的频繁发生，逐渐形成了一门独特的综合性学科—— 空间科学。它主要是利用空间飞行器作为手段来研究发生在宇宙空间的物理、化学和生命等自然现象的一门前沿科学，包括了空间物理学、空间天文学、空间化学、空间地质学、空间材料科学和空间生命科学等分支。北京时间2007年10月24日，我国首颗以古代神话人物嫦娥命名的嫦娥一号卫星从西昌卫星发射中心成功发射升空。这标志着我国的航天事业又向前迈出了一大步。“嫦娥一号”的探月过程1．升空2007年10月24日18时05分，长征三号甲运载火箭搭载“嫦娥一号”探月卫星，奔向月球，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。卫星近地点高度由约200公里抬高到约600公里（2）第二次变轨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7万多公里。（3）第三次变轨“嫦娥一号”卫星在24小时轨道飞行第３圈时，实行近地点变轨后，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、月转移发动机工作784秒后，正常关机。 “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，顺利进入地、月转移轨道，开始飞向月球。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，直飞月球捕获点。4．环绕月球运行（1）实施第一次近月制动，完成第一次“太空刹车”动作，月球捕获卫星，卫星成功进入12小时绕月椭圆轨道。降低“嫦娥一号”卫星的飞行速度，以防逃逸月球。（2）实施第二次近月制动，卫星顺利进入周期为3.5小时的环月小椭圆轨道进一步降低“嫦娥一号”飞行速度，使其进入“过渡”轨道，为卫星最终进入工作轨道做准备。（3）第三次制动。 “嫦娥一号”卫星主发动机点火，实施第三次近月制动主发动机关机，第三次近月制动结束。“嫦娥一号”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。5．返回地球过程（1）飞离月球过程 “嫦娥一号”完成绕月计划计划后，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 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7．9公里／秒? 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