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从嫦娥四号说卫星变轨问题

2019-01-24 13:58:07| 来源:

最近我们国家自主研制发射的嫦娥四号卫星,成为了世界上第一颗在月球背面成功实现软着陆的人造飞行器,这也是我国探月工程三步走“绕、落、回”中第二步,为接下来以月面采样返回为目标的月球探测第三步任务打下了很好的基础。嫦娥四号卫星从地球发射到月球轨道上,主要经过了三个过程:绕地轨道、地月转移轨道和月球轨道(如图1所示),因此轨道与轨道之间就涉及到比较复杂的变轨问题,这也是教师招聘考试中常考的题型。下面我们以比较简单的变轨问题:同步卫星为例,对于变轨问题中各种状态参量的变化进行简单的分析。

如图2所示,是将同步卫星从地球上送到同步轨道上所经历的大致过程:同步卫星首先被发送至圆形轨道1,又叫近地轨道;接着卫星在轨道1上的P点点火加速,此时卫星所需要的向心力随之增大,因此卫星在P点处所受的万有引力不足以提供其所需要的向心力,卫星就会做离心运动,即进入椭圆轨道2,轨道2又叫做转移轨道;最后,卫星在轨道2上的Q点再次进行点火加速,使得卫星所需要的向心力恰好和该位置卫星所受到的万有引力大小相等,这样卫星接下来就会绕地球做圆周运动,即进入轨道3,也就是同步轨道。下面就以这一过程为例,谈谈其中涉及到的一些物理量。

3.机械能

首先需要明确的是,卫星不管是在轨道1、轨道2或轨道3上,机械能都是守恒的,因为不管那个轨道上卫星都只受万有引力的作用。但是在轨道与轨道之间,机械能是不守恒的,是因为轨道之间变轨的过程中有除了重力以外的其他外力做功,这个外力就是火箭发动机喷气所产生的反冲力。从轨道1到轨道2再到轨道3,卫星需要在P、Q两点加速,加速通过火箭发动机做正功来实现,故机械能依次增加,增加的机械能来源于火箭发动机所消耗燃料的化学能。因此可以得出结论三:对于同一卫星而言(忽略其质量的变化),其所在的轨道越高,那么它具有的机械能就越大。

以上三点结论在变轨问题中考察频率很高,如果能在理解的基础之上记住结论,对于解题会有很大的帮助,下面我们就以一题为例,探究一下变轨问题的解题思路。

例:2008年9月25日至28日我国成功实施了“神舟”七号载人航天飞行并实现了航天员首次出舱。飞船先沿椭圆轨道1飞行,后在远地点P,343千米处点火,由椭圆轨道变成高度为343千米的圆轨道2,下列判断正确的是( )

A.飞船在圆轨道上时航天员出舱前后都处于失重状态

B.飞船在椭圆轨道1上的P点和圆轨道2上的P点时的加速度相等

C.飞船在椭圆轨道1上Q点运动的线速度小于在圆周轨道2上P点运动的线速度

D.飞船在椭圆轨道1上的机械能大于其在圆轨道2上的机械能

解析:根据结论一可知选项C错误,由结论二可知选项B正确,由结论三可知选项D错误;对于选项A,船在圆轨道上时,航天员出舱前后,航天员所受地球的万有引力提供航天员做圆周运动的向心力,航天员此时的加速度就是万有引力加速度,即航天员出舱前后均处于完全失重状态,故A也正确;因此本题选AB。

因此,掌握变轨问题的一般结论,对于迅速破解变轨问题非常有帮助。

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关键词阅读 嫦娥四号卫星变轨
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