火箭的发射和人造地球卫星

摘 要

笔者以火箭发射和地球人造卫星为主题，在中国知网、百度百科等搜集了相关资料，第一部分指出了火箭发射的历程，包括神舟一号到神舟十号的发射以及火箭发射的相关知识两部分。第二部分论证了人造卫星的变轨原理；在高中物理中涉及到人造卫星的两种变轨问题；人造卫星与氢原子模型类比；飞船变轨问题剖析等。

1、神舟火箭发射历程

1、神舟一号到神舟十号：

（1）、神舟一号：1999年11月20日6时30分，中国第一艘不载人的试验飞船——神舟一号，从酒泉卫星发射中心发射升空。在完成预定的科学试验后，于11月21日3时41分在内蒙古中部地区成功着陆，中国人成功实现了天地往返的重大突破！飞行时间/圈数：21小时11分/14圈。 神舟一号飞船座舱内放置有一个高1.70米左右、身着航天服的男性模拟人。这个模拟人是一个感应器，用于收集返回舱在太空中的温度、湿度、氧气等各种试验数据。3、搭载物品：一是旗类，中华人民共和国国旗、澳门特别行政区区旗、奥运会会旗等；二是各种邮票及纪念封；三是各10克左右的青椒、西瓜、玉米、大麦等农作物种子，此外还有甘草、板蓝根等中药材。

（2）、神舟二号：神舟二号虽是第二艘无人飞船，但却是中国第一艘正样飞船，也可以说是载人飞船的“最完整版本”，各种技术状态与载人时基本一样。2001年1月10日1时0分3秒，神舟二号飞船发射升空。1月16日晚上7时22分在内蒙古自治区中部地区安全返回。飞行时间/圈数：6天零18小时/108圈。我国首次在飞船上进行了微重力环境下空间生命科学、空间材料、空间天文和物理等领域的实验，其中包括：进行半导体光电子材料、氧化物晶体、金属合金等多种材料的晶体生长；进行了蛋白质和其他生物大分子的空间晶体生长；开展了植物、动物、水生生物、微生物及离体细胞和细胞组织的空间环境效应实验等。

（3）、神舟三号：2002年3月25日22时15分，神舟三号飞船发射升空。2002年4月1日在内蒙古自治区中部地区返回，飞行6天零18小时/108圈。搭载物品：处于休眠状态的乌鸡蛋；进行空间试验的有效载荷公用设备十项，四十四件之多，包括：卷云探测仪、中分辨率成像光谱仪、地球辐射收支仪、太阳紫外线光谱监视仪器、太阳常数监测器、大气密度探测器、大气成分探测器、飞船轨道舱窗口组件、细胞生物反应器、多任务位空间晶体生长炉、空间蛋白质结晶装置、固体径迹探测器、微重力测量仪、有效载荷公用设备。据介绍，微重力测量仪、返回舱有效载荷公用设备是第三次参加飞船试验；空间蛋白质结晶装置、多任务位空间晶体生长炉和轨道舱有效载荷公用设备是第二次参加飞船试验；其余设备均是首次在太空作试验。

（4）、神舟四号：飞船在低温严寒条件下发射成功。9个月后的2002年12月30日0时40分2003年1月5日19时16分，在内蒙古自治区中部地区安全返回。突破了我国低温发射的历史纪录！飞行时间/圈数：6天零18小时/108圈。前所未有的持续低温天气：-28℃，比发射《大纲》规定的最低发射温度-20℃足足低了8℃！1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机失事，就是由于一个O形橡胶密封圈因低温变形失效而导致的！经过充分的试验数据论证和气象会商，专家们优选了一个较好的窗口，并调整了发射程序。低温严寒下，参试人员用149件保暖物品，严严实实地将火箭关键部位包裹起来，同时不断地吹送热风，直到临近发射前15分钟，才把这些保暖物品撤下来。神舟三号、四号在全载人状态下连续发射成功，预示着中国人“摘星揽月”已为期不远。

（5）、神舟五号：历史将铭记那一刻：2003年10月15日9时正，中国成功发射第一艘载人飞船神舟五号！10月16日6时28分，在内蒙古中部阿木古朗草原地区安全返回，着陆点与预测仅相差4.8公里。飞行时间/圈数：21小时/14圈。搭载物品：除了中国飞天第一人杨利伟外，“神舟”五号载人飞船返回舱内还搭载有一面具有特殊意义的中国国旗、一面北京2008年奥运会会徽旗、一面联合国国旗、人民币主币票样、中国首次载人航天飞行纪念邮票、中国载人航天工程纪念封和来自祖国宝岛台湾的农作物种子等。21个小时23分钟的太空行程，标志着中国已成为世界上继前苏联／俄罗斯和美国之后第三个能够独立开展载人航天活动的国家。这一刻，距中国第一艘试验飞船发射3年零329天，距中国载人航天工程立项仅11年零25天。

（10）神舟十号：2013年 6月11日至6月26日，我国“神舟十号”载人飞船搭载着聂海胜、张晓光、王亚平三名宇航员在太空与“天宫一号”成功实现了自动和手动对接，还首次开设了“太空－地面”课堂。

2、神舟飞船相关知识：

（1）、飞船的重量：火箭起飞重量479吨，火箭加上飞船重量约44吨，其它的都是液体推进剂。因此，火箭的90%都是液体，比人体含水量还大。飞船重量为8吨多，占船箭组合体起飞重量的六十二分之一：要把一公斤的东西送入轨道，就得消耗62公斤的火箭重量。神舟六号飞船比神舟五号在重量上有所增加，因此发射神六的火箭也重了不少。

（2）、轨道高度：在变轨成圆形轨道后，“神5”和“神6”一样，都是343公里高的轨道上。在轨飞行速度是7.820185Km/s。

（3）、飞船的温度:载人航天工程飞船系统热控制分系统主任设计师范含林说：飞船飞行过程中，向阳面舱外温度超过100摄氏度，背阳面为零下100摄氏度。舱内温度被自动控制在17至25摄氏度,航天员也可进行手动调节。相对湿度控制在30%到70%之间。

飞船返回时的速度很快，跟大气层的摩擦产生的温度达到1600多度，而飞船内要保持20多度。

（4）、飞船发射时为何有碎片掉落？火箭在托举飞船飞离发射塔架腾空而起时，箭体不断地掉落一些碎片。这是为什么呢？中国运载火箭技术研究院科技委副主任李福昌介绍说，这是火箭保温的一个措施。为了不让火箭推进剂的温度过高或过低，箭体一些部分贴了一些隔热泡沫保温材料，火箭发射升空，速度一快、风一大，有些泡沫材料掉了下来，这对火箭成功发射没有影响。

（5）、入轨指令为何由青岛站？专家解释说，点火升空后的船箭分离和入轨过程中，青岛测控站的观测条件、观测角度和设备控制条件在各个测控站中是最佳的。在青岛发送入轨指令，可最大程度满足飞船接收条件。同时，青岛测控站是神六上升过程中的最后一个测控站，如果不在这里发送入轨指令，就会贻误时机。

（6）、发射角度为什么选择42.4度？神舟六号飞船上升段飞行时间为583.828秒，把飞船送入一个椭圆轨道，前角是42.4度。为什么选择42.4度呢？北京航天飞行控制中心主任席政介绍说，大家会发现，我们的着陆场就位于42.4度左右。这样，飞船每次经过42.4度时，就通过着陆场，使飞船每天至少有一次返回的机会。如果对着陆场的精度要求不是很高的话，我们可能每天有两到三次返回机会。

（7）、神舟飞船为什么要改变轨道？神舟六号飞船飞行到第5圈时，在地面指挥控制中心的控制下，由椭圆轨道转变为近圆轨道。为什么要变轨呢？据航天器轨道计算专家刘迎春博士介绍，神舟飞船与火箭分离后，进入预定轨道入轨点的高度大概为250公里，但由于飞船这时仍保持着较高飞行速度，因此，它并不是在250公里高度做圆轨道运行，而是在近地点250公里到远地点350公里的椭圆轨道上运行。“飞船之所以要改变运行轨道，主要是为了自主应急返回。”刘迎春说。飞船变为圆轨道后，在第一、第三、第五天的运行轨迹基本是重复的，按设计方案，在这种情况下，便于飞船返回主着陆场。同时，圆轨道的自主应急返回方案相对于椭圆轨道来说，要更加便于设计。

（8）、能发射卫星的火箭一般为三级，第一级推力很大，垂直上升段可以获得有效的速度和高度。然后火箭开始程序转弯，使速度方向有切地球的分量，这是因为卫星想要不断飞行，必须要有一定速度。所以，火箭分垂直上升段——获得速度和高度，程序转弯后以弹道轨迹（洲际弹道导弹就同运载火箭同样）飞出大气层，最后，发动机关机，卫星因惯性入轨，同时微型发动机调整轨道。

火箭之所以能这样，是因为它用的火箭发动机是通过喷射气体来得到作用力，故可以有效地利用控制喷射气体方向来转向，这种技术称为矢量推力技术，战机上的（如苏35）的矢量推力比火箭的这种技术迟了很多时间。最早的弹道导弹（远程运载火箭）V2就是有这技术了，它通过四个导流板，将一部分喷射气体偏转，就实现了矢量推力。现代的矢量推力技术是一种称为摆动喷管的结构，更先进，更精确，推力损失最小。火箭之所以能够实现推力转弯，是因为它有一套导航系统，通常是无线电或惯性导航系统，这样可以知道即时速度和高度，从而反馈给自动驾驶仪，自动驾驶仪就控制矢量推力系统进行程序转弯。

（9）、嫦娥一号的起飞重量为260吨，发动机推力为2962千牛顿（300吨）。这样起飞时300顿推力中260顿用于抵消重量，可用作起飞加速的推力只剩下约40吨。40吨推力推动260吨起飞加速，其起飞加速度只有0．156g，也就是1．5米／秒＊秒。10秒后的速度约15米／秒，离地面高度约为75米（之所以说“约为”是因为随着发动机工作，推进剂约以1吨／秒速度消耗，运载火箭重量降低，随之加速度也增大）。因此嫦娥是慢慢的起飞加速，这对运载火箭来将并没坏处，反而有利（当然对于导弹来讲就不利啦）。随之带来观赏性。加速度越大，过载越大，大到一定程度，对人员仪器都不利（当然宇航员都经过专门训练，仪器也要做过载试验，以后的路程大过载还多着呢）。

二、人造卫星变轨问题专题

1、人造卫星基本原理

绕地球做匀速圆周运动的人造卫星所需向心力由万有引力提供。轨道半径r确定后，与之对应的卫星线速度、周期、向心加速度也都是唯一确定的。如果卫星的质量是确定的，那么与轨道半径r对应的卫星的动能Ek、重力势能Ep和总机械能E机也是唯一确定的。一旦卫星发生了变轨，即轨道半径r发生变化，上述所有物理量都将随之变化（Ek由线速度变化决定、Ep由卫星高度变化决定、E机不守恒，其增减由该过程的能量转换情况决定）。同理，只要上述七个物理量之一发生变化，另外六个也必将随之变化。卫星在轨期间自主改变运行轨道的过程称为变轨。卫星轨道是椭圆，节省发射火箭燃料的方法，可以先发射到大椭圆轨道，卫星处于远地点的时候，卫星上面的姿态调整火箭点火，这样卫星的轨道变成需要的高度。变轨可以多次，这就需要精确计算卫星变轨的时间，由地面指令控制。受地球引力影响，人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）运行轨道会以每天 100米左右的速度下降。这样将会影响人造卫星、宇宙飞船（包括空间站）的正常工作。在轨道运行的过程中，常常需要变轨。变轨除了能规避“太空垃圾”对其的伤害外，主要是为了保证其运行的寿命。

2、在高中物理中，涉及到人造卫星的两种变轨问题。

（1）、渐变：由于某个因素的影响使原来做匀速圆周运动的卫星的轨道半径发生缓慢的变化（逐渐增大或逐渐减小），由于半径变化缓慢，卫星每一周的运动仍可以看做是匀速圆周运动。解决此类问题，首先要判断这种变轨是离心还是向心，即轨道半径r是增大还是减小，然后再判断卫星的其他相关物理量如何变化。如：人造卫星绕地球做匀速圆周运动，无论轨道多高，都会受到稀薄大气的阻力作用。如果不及时进行轨道维持（即通过启动星上小型发动机，将化学能转化为机械能，保持卫星应具有的状态），卫星就会自动变轨，偏离原来的圆周轨道，从而引起各个物理量的变化。这种变轨的起因是阻力。阻力对卫星做负功，使卫星速度减小，卫星所需要的向心力减小了，而万有引力的大小没有变，因此卫星将做向心运动，即轨道半径r将减小。

由基本原理中的结论可知：卫星线速度v将增大，周期T将减小，向心加速度a将增大，动能Ek将增大，势能Ep将减小，有部分机械能转化为内能（摩擦生热），卫星机械能E机将减小。

为什么卫星克服阻力做功，动能反而增加了呢？

这是因为一旦轨道半径减小，在卫星克服阻力做功的同时，万有引力（即重力）将对卫星做正功。而且万有引力做的正功远大于克服空气阻力做的功，外力对卫星做的总功是正的，因此卫星动能增加。

根据E机=Ek+Ep，该过程重力势能的减少总是大于动能的增加。又如：有一种宇宙学的理论认为在漫长的宇宙演化过程中，引力常量G是逐渐减小的。如果这个结论正确，那么环绕星球将发生离心现象，即环绕星球到中心星球间的距离r将逐渐增大，环绕星球的线速度v将减小，周期T将增大，向心加速度a将减小，动能Ek将减小，势能Ep将增大。

（2）、突变：由于技术上的需要，有时要在适当的位置短时间启动飞行器上的发动机，使飞行器轨道发生突变，使其进入预定的轨道。如：发射同步卫星时，可以先将卫星发送到近地轨道Ⅰ，使其绕地球做匀速圆周运动，速率为v1；变轨时在P点点火加速，短时间内将速率由v1增加到v2，使卫星进入椭圆形的转移轨道Ⅱ；卫星运行到远地点Q时的速率为v3；此时进行第二次点火加速，在短时间内将速率由v3增加到v4，使卫星进入同步轨道Ⅲ，绕地球做匀速圆周运动。第一次加速：卫星需要的向心力增大了，但万有引力没变，因此卫星开始做离心运动，进入椭圆形的转移轨道Ⅱ。点火过程有化学能转化为机械能，卫星的机械能增大。

在转移轨道上，卫星从近地点P向远地点Q运动过程只受重力作用，机械能守恒。重力做负功，重力势能增加，动能减小。在远地点Q处，如果不进行再次点火加速，卫星将继续沿椭圆形轨道运行，从远地点Q回到近地点P，不会自动进入同步轨道。这种情况下卫星在Q点受到的万有引力大于以速率v3沿同步轨道运动所需要的向心力，因此卫星做向心运动。

为使卫星进入同步轨道，在卫星运动到Q点时必须再次启动卫星上的小火箭，短时间内使卫星的速率由v3增加到v4，使它所需要的向心力增大到和该位置的万有引力大小恰好相等，这样才能使卫星进入同步轨道Ⅲ做匀速圆周运动。该过程再次启动火箭加速，又有化学能转化为机械能，卫星的机械能再次增大。

结论是：要使卫星由较低的圆轨道进入较高的圆轨道，即增大轨道半径（增大轨道高度h），一定要给卫星增加能量。与在低轨道Ⅰ时比较（不考虑卫星质量的改变），卫星在同步轨道Ⅲ上的动能Ek减小了，势能Ep增大了，机械能E机也增大了。增加的机械能由化学能转化而来。

3、与氢原子模型类比

人造卫星绕地球做圆周运动的向心力由万有引力提供。按照玻尔的原子理论，电子绕氢原子核做圆周运动的向心力由库仑力提供。万有引力和库仑力都遵从平方反比律：、，因此关于人造卫星的变轨和电子在氢原子各能级间的跃迁，分析方法是完全一样的。

⑴电子的不同轨道，对应着原子系统的不同能级E，E包括电子的动能Ek和系统的电势能Ep，即E=Ek+Ep。

⑵量子数n减小时，电子轨道半径r减小，线速度v增大，周期T减小，向心加速度a增大，动能Ek增大，电势能Ep减小；原子将辐射光子（释放能量），因此氢原子系统的总能量E减小，向低能级跃迁。由E=Ek+Ep可知，该过程Ep的减小量一定大于Ek的增加量。

反之，量子数n增大时，电子轨道半径r增大，线速度v减小，周期T增大，向心加速度a减小，动能Ek减小，电势能Ep增大，原子将吸收吸收光子（吸收能量），因此氢原子系统的总能量E增大，向高能级跃迁。由E=Ek+Ep可知，该过程Ep的增加量一定大于Ek的减少量。

4、飞船变轨问题剖析

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（1）、从物理学角度如何来分析变轨过程？按照人造卫星运行的规律，其在轨的运行速度V大小由下列公式决定：其中G为万有引力恒量，M为地球的质量，r为人造卫星的轨道半径（地球半径R + 人造卫星距地面高度h）。从以上公式可以看出，在轨的人造卫星其速度完全由轨道半径大小决定：与其的平方根成反比——轨道半径越小的，其速度越大（贴地球表面飞行，其速度最大，即为第一宇宙速度7.9千米/秒）;轨道半径越大的，其速度越小。在变轨过程中，人造卫星由低轨道调整到高轨道，其轨道半径增加，那么运行速度将比原来的小。根据上面的公式，我们可以计算出随着人造卫星轨道半径增加，其运行速度（变化）的数据： 从以上表格的数据可以看到，随着人造卫星轨道半径的增加（距地面高度的增加），其运行速度越来越小。高度每增加50千米，速度约会减小28米/秒（不是线性减小）。这次国际空间站运行轨道提升了6.2公里，其运行速度只减小了3米/秒。有人可能对此会提出疑问——明明是飞船发动机喷气加速，那么在变轨过程中，飞船的速度应该是逐渐增加的。

（2）、从动力学角度分析——当飞船发动机喷气加速，飞船的速度增加，作圆周运动所需的向心力增加，但是圆周运动所提供的向心力（即万有引力）不变，飞船将会作离心运动，其运行轨道将提升，速度将会减小。

（3）、从能量角度分析——在这里我们来作以下的估算：设人造卫星的质量为2吨，原轨道半径为342.8公里，现变轨到349公里。该人造卫星的重力势能增加值为（假设该过程中重力加速度值无变化，且值为10米/秒2）在这个过程中该人造卫星的动能减少值为（万有引力恒量G = 6.67×10－11牛.米2/千克2，地球质量M = 5.98×1024千克）

由以上估算可以看出——该人造卫星在变轨（由低轨道升至高轨道）的过程中，引力势能增加值远远大于动能减少值。也就是说，在变轨过程中，发动机消耗的能量E主要是为了增加人造卫星的引力势能。据能量守恒关系，有 E + ΔEK = ΔEP，也就是说人造卫星调整到高轨道是以动能的损失和发动机消耗能量为代价来增加其引力势能。

变轨之后，飞船做匀速圆周运动的轨道半径增大！

参考文献：

【1】卫星变轨技术. 百度百科 .http://baike.baidu.com/link?url=sz-sFS1wsXvW8D

【2】神舟飞船.百度百科 http://baike.baidu.com/link?url=l3bvZoUMfcn

【3】崔克梅. 加速度等于向心加速度吗?[J]. 新高考(物理化学生物) 2009年10期

【4】赵明. 人造地球卫星发射问题探究[J]. 物理教学探讨 2011年06期

【5】重量、重力、万有引力[J]. 物理教师 1986年02期

【6】刘义春. 对向心加速度概念教学的再讨论[J]. 技术物理教学 2000年04期

【7】袁维兵. “向心加速度的大小反映了速度方向变化的快慢”这句话对吗?[J]. 雅安职业技术学院学报

【8】叶兵. “向心力、向心加速度”的教材分析和教学设计[J]. 中学物理教学参考 2001年03期

致谢：

三年的农村教学实践使我积累了不少教学经验，在论文的写作过程中我深深的体会到了科研创作的艰辛与不易。由于我个人能力有限，论文中不免有不足之处。在论文的创作中我有幸得到了学校夏老师的帮助。

首先我要感谢夏昌龙老师对我悉心的指导和深切的关怀，从论文的选题到开题到中期汇报再到定稿夏老师都给了我耐心的指导和帮助，给我提出了许多宝贵的意见，夏老师还多次敦促我及时修改，他严谨的治学态度、求真务实的工作作风给我留下了深刻的印象，当然也在潜移默化的影响着我，给我树立了人生学习的榜样，在此，衷心祝愿夏老师身体健康、工作顺利。

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