精确计算 科学变轨|卫星变轨速度比较
时间：2019-02-02 03:17:41 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
2007年月10月24日18时，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭将“嫦娥一号”卫星成功送入太空。“嫦娥一号”先绕地球作椭圆轨道运动，经过四次变轨，于10月31日成功转入日月转移轨道，直奔月球。11月5日，月球将正式拥抱来自中国的“信使”， 中国“嫦娥一号”将成为一颗真正的“月球卫星”。经过第二次、第三次的制动，嫦娥一号卫星绕月运行的椭圆轨道将逐步变成周期为127min、轨道高度200km的环月圆形轨道！11月7日， 中国“嫦娥一号”绕月探测卫星完成第三次近月制动，卫星正式进入科学探测的“工作岗位”，这是我们伟大祖国的荣耀！是中国人的自豪！“嫦娥”一飞冲天，举国欢腾，我们与学生一起观看了嫦娥一号发射、变轨、遨游的全过程，其间不仅蕴藏着丰富的物理知识，更体现了中国人的航天精神。�
1 精确计算 科学变轨�
嫦娥一号卫星上共装有13台各种发动机，对卫星进行变轨、维持和姿态控制。这些推力大小不同的发动机，分布在嫦娥一号卫星的不同部位，就像嫦娥的“船桨”，既可控制嫦娥的轨道姿态，也可控制嫦娥的速度。嫦娥一号卫星整个变轨过程如图1所示，下面就从物理学知识的角度来分析嫦娥一号卫星变轨运行的全过程。�
1.1 嫦娥一号绕地飞行�
嫦娥一号卫星要脱离地球的引力，就必须不断加速，最终逃离地球吸引直奔月球轨道。在这个过程中要经过四次变轨，最后脱离地球的引力进入地月转移轨道。�
1.1.1 第一次变轨(远地点变轨)�
嫦娥一号卫星在第一次变轨前是在如图1所示的椭圆轨道上运行，其近地点为200km，远地点为5 100km，周期为16h。其实我们可以根据这些相关的数据算出卫星运行的周期。由开普勒定律知道，卫星作椭圆轨道的运行周期等于以半长轴为半径的圆轨道的运行周期。设地球半径为R，地球质量为M，半长轴为r，其具体计算如下：�
第一次变轨是在远地点进行的，如图1中的A点进行变轨。嫦娥一号卫星的首次变轨之所以选择在远地点实施，是为了抬高卫星近地点的轨道高度，通过第一次的成功变轨使卫星的近地点距离从200km抬高到600km，使卫星处于比较稳定的状态，如图1中的2轨道。我们也可计算出变轨后的嫦娥一号卫星在2椭圆轨道运动的周期，计算方法如下：�
1.1.4 第四次变轨（近地点变轨）�
实现第四次变轨卫星远地点高度由12万余km提高到37万余km，进入114h地月转移轨道，嫦娥一号卫星逃离地球直奔地月转移轨道。�
1.2 嫦娥一号地月大转移――地月转移轨道�
嫦娥一号卫星进入地月转移轨道，开始奔月之旅。在飞行途中，对卫星的飞行轨道进行精确的测量和计算，并实施了一次轨道修正，以确保被月球俘获。地月转移轨道的入口点是指第三次近地点变轨时发动机关机时的空间位置。根据地月的时空关系，只有在这个点进入地月转移轨道，嫦娥一号卫星才能按时与月球相会。否则，将会出现与月球“擦肩而过”或撞击月球的情况。如果说入口点的选择是为了准时与月球“相会”，那么出口点设计的目标就是与月球“相会”后，卫星能在距月球表面200km时进行第一次刹车制动，进入12h周期的绕月大椭圆轨道。�
1.3 嫦娥一号绕月飞行�
1.3.1 第一次近月点制动――绕月大椭圆轨道运动�
11月5日，嫦娥一号卫星首次飞达近月点。此时，卫星首次“刹车”减速，以确保被月球引力捕获，成为一颗月球卫星。此时嫦娥一号卫星进入周期12小时的月球极轨大椭圆轨道，成为一颗真正的月球卫星。我们继续可以通过相关的数据计算出嫦娥一号在绕月大椭圆轨道上运行的周期。设月球半径为R，卫星近月点高度200km，远月点高度8 600km，月球质量为M，半长轴为r，月球表面的重力加速度为g6，其具体计算如下：�
1.3.3 第三次近月点制动――绕月圆轨道运行�
11月7日，在经过第三次近月点制动后，嫦娥一号卫星将进入200km高度、周期127min的极月圆形轨道，这也是我国科研人员为嫦娥一号精心选定的“工作岗位”。其运行周期计算如下：�
2 “嫦娥一号”与科学精神�
科学精神是人类在追求真理过程中所创造的，表现为世界观和方法论。科学的发展过程，深深地蕴涵着人文精神和科学精神。中学的物理教育有培养学生科学精神的重要任务。科技不仅创造人类文明，而且推动社会的发展。作为自然科学的一门重要学科，物理学历来都是推动人类文明发展的动力；作为人类追求真理、探索未知宇宙奥秘的有力工具，物理学又是一种哲学观和方法论。在人类文明发展的漫长岁月中，这门古老而又生机的学科为我们树立了一座又一座卓越的里程碑。科学技术是第一生产力，谁在知识和科技创新上占有优势，谁就能在发展上占有主导地位。因此我们应大力实施科教兴国战略，把科技教育摆在优先发展的战略地位。�
无垠的太空是人类永恒的财富。发展航天探月工程是人类开发和利用太空资源的有益尝试。我们中国人正是发扬了“两弹一星”精神和航天精神，嫦娥一号绕月卫星的发射才取得了圆满成功！嫦娥探月工程,不仅是民族智慧、经济实力、综合国力的重要体现，也大大地促进我国生产力的发展，提高我国的国际威望。当今世界，一个没有用科学精神武装的民族是愚昧的民族，是注定要挨打的民族。从第一颗原子弹、第一枚导弹、第一颗人造地球卫星到第一艘“神舟”飞船，从神舟五和神舟六号载人飞船的成功发射到嫦娥一号探月的成功发射，中国航天事业总是以“勇于攀登”、不断进取的精神，一步步迈向航天科学技术的巅峰。�
（栏目编辑罗琬华）
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