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论述“嫦娥一号”奔月的主要过程及其中的物理学原理05411201高彬彬11201213741“嫦娥一号”奔月的主要过程及其中的物理学原理【摘要】2007年10月24日中国首颗探月卫星“嫦娥一号”成功发射，标志着我国的航天事业和深空探测又向前迈进一大步。本文通过引用准确的数据和详细的资料对“嫦娥一号”卫星奔月的过程进行了阐述，并运用万有引力定律、开普勒第二定律、圆周运动、牛顿运动定律、动量守恒定律等物理学原理对卫星奔月过程进行了分析。【正文】1“嫦娥一号”奔月的主要过程1.1简介“嫦娥一号”卫星发射后首先被送入一个椭圆形地球同步轨道，这一轨道离地面最近距离为200公里，最远为5.1万公里，探月卫星将用16小时环绕此轨道一圈后，通过加速再进入一个更大的椭圆轨道，距离地面最近距离为500公里，最远为12.8万公里，需要48小时才能环绕一圈。此后，探测卫星不断加速，开始“奔向”月球，大概经过114小时的飞行，在快要到达月球时，依靠控制火箭的反向助推减速。在被月球引力“俘获”后，成为环月球卫星，最终在离月球表面200公里高度的极月圆轨道绕月球飞行，开展拍摄三维影像等工作。卫星奔月总共需时114个小时，距离地球接近38.44万公里。1.2升空2007年10月24日18时05分，“嫦娥一号”探月卫星在长征三号甲运载火箭搭载下升空，成功地进入环绕地球的预定轨道（即16小时轨道）。1.3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向在太空飞行的“嫦娥一号”卫星发出变轨指令，指令发出130秒后，卫星近地点高度由约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。（2）第二次变轨。26日17时33分，开始实施第二次变轨，这是卫星的第一次近地点变轨。北京飞控中心向在太空飞行了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2椭圆轨道，远地点高度由5万多公里提高到7万多公里。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。1.4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。1.5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，卫星顺利进入周期为3.5小时的环月小椭圆轨道。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3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。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”。“嫦娥一号”奔月的主要过程2“嫦娥一号”飞行过程涉及到的主要物理原理2.1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及最小发射速度:ｖ＾２／ｒ＝ｇ＝＞ｖ＝ａ√ｇｒ＝√（９.８＊６.４）≈７.９（ｋｍ／ｈ）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动量定理及动量守恒定律（近似情况下，可视整个系统的动量守恒）Ft=mv′－mv=p′－pm1v1+m2v2＝m1v1′+m2v2′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，直至将“嫦娥一号”的速度提升4到发射速度。根据牛顿第二定律:F=ma，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。火箭在大气层内运动的过程中，与大气的摩擦力很大，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极高。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。2.2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。（G=6.67259×10^-11N•m^2/kg^2）F=ma=mv^2/(r+h)=v=(GM/(r+h))^1/2根据开普勒第二定律（在椭圆轨道上,行星与所绕天体的连线(矢径r),在单位时间内,扫过相同面积），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。2.3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。参考文献[1]欧阳自远.中国月球探测的起步、发展与前景.Newton科学世界2007年第11期[2]张三慧等.大学物理学.力学[M].北京：清华大学出版社[3]中国大百科全书（航空、航天卷）.北京：中国大百科全书出版社，1995[4]物理学原理在工程技术中的应用（第二版）.高等教育出版社[5]苟秉聪胡海云大学物理（第二版）.国防大学出版社