精确计算 科学变轨——“嫦娥一号”探月序曲，本文主要内容关键词为：序曲论文,嫦娥论文,精确论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
2007年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”先绕地球做椭圆轨道运动，经过四次变轨，于10月31日成功转入地月转移轨道，直奔月球。11月5日，月球将正式拥抱来自中国的“信使”，“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为轨道周期127分钟、轨道高度200公里的环月圆形轨道。11月7日，中国“嫦娥一号”绕月探测卫星完成了第三次近月制动，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！“嫦娥一号”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学知识，更体现了中国人的航天精神。
一、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、轨道维持和姿态控制。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”卫星整个变轨过程可用下图表示，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.“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)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所示的1椭圆轨道上运行，其近地点为200公里，远地点为51000公里，周期为16小时。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，卫星沿椭圆轨道时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=6400公里，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，如上图中的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200公里抬高到600公里，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：
=57273s=15.9h≈16h。
(2)第二次变轨（近地点变轨）
第二次变轨是近地点进行的，如图中的B点所示，卫星远地点高度由51000公里提高到了71400公里，进入绕地飞行24小时周期轨道。其周期计算如下：
(3)第三次变轨（近地点变轨）
第三次变轨也是近地点进行的，如图中的B点所示，卫星远地点高度由71400公里提高到了121700公里，进入绕地飞行48小时周期轨道。其周期计算如下：
(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12万余公里提高到37万余公里，进入114小时地月转移轨道，“嫦娥一号”卫星逃离地球直奔地月转移轨道。
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200公里时进行第一次刹车制动，进入12小时周期的绕月大椭圆轨道。
3.“嫦娥一号”绕月飞行
(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=1738公里，卫星近月点高度200公里，远月点高度8600公里，月球质量为M，半长轴为r，月球表面的重力加速度为
，其具体计算如下：
(2)第二次近月点制动——绕月小椭圆轨道运动
11月6日，在经过第二次近月点制动后，“嫦娥一号”卫星将进入卫星近月点高度200公里，远月点高度1700公里，周期为3.5小时的小椭圆轨道。其运行周期计算如下：
(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200公里高度、周期127分钟的极月圆形轨道，这也是我国科研人员为“嫦娥一号”精心选定的“工作岗位”。其运行周期性计算如下：
二、“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，并反过来成为人们追求真理时的科学向导。在科学发展的过程中，深深地蕴涵着科学家充满人文主义的态度和科学精神。我们的物理教育中有着培养科学精神的重要功能。科技创造人类文明，科技推动社会发展。作为自然科学的一门重要学科，物理学历来是人类文明发展的基础和动力；而作为人类追求真理、探索未知宇宙世界奥秘的有力工具，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，这门古老而又生机勃勃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，其发展的优势蕴藏于知识和科技之中，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。我们要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。发展航天工程，探究月球，是人类开发利用太空资源的有益探索。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、飞行才能取得圆满的成功！“嫦娥探月”行动，不仅是民族智慧、经济实力、综合国力的重要体现，也有利于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“神舟五号”“神舟六号”载人飞船的成功发射到“嫦娥一号”探月行动的成功，中国航天总是以勇于攀登、不断进取的精神，一步步地迈向航天科学技术的高峰。