“嫦娥一号”奔月的主要过程及其其中的物理学原理

“嫦娥一号”奔月的主要过程及其其中的物理学原理

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摘要本文通过对“嫦娥一号”奔月主要过程的介绍，说明一些与其相关的物理学原理。

关键词圆周运动；开普勒第二定律；第一宇宙速度；动量守恒定律

1 引言

2007年10月24日18时05分，长征三号甲运载火箭搭载“嫦娥一号”探月卫星直冲云霄，奔向遥远的月球，成功地进入环绕地球的预定轨道。探月工程是一项很高端的前沿科技问题，尤其是“嫦娥一号”奔月过程尤为复杂,但其中所涉及的物理原理并不太深奥,其中的一些力学原理以及天体运动的知识在中学物理中就已经学过。

2“嫦娥一号”奔月的主要过程

1．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）。

2．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。

3．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。

4．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

3“嫦娥一号”飞行过程涉及到的主要物理原理

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=(gr)^(1/2)=(9.8*6.4)^(1/2)≈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′－p

m1v1+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”的速度提升到发射速度。

根据牛顿第二定律:F=mv，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

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。

F=GMm/(r+h)^2 （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。

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：张传军，“嫦娥”巡天看中华，科学普及出版社，2007-11-1

航天器工程（SPACECRAFT ENGINEERING ）2009 18(2)