论述“嫦娥一号”奔月的主要过程及其其中的物理学原理

物理小论文
-----------------------------论述“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：本文详细地描述了“嫦娥一号”奔月的整个过程以及在奔月过程中所蕴
涵的物理知识和其所应用的物理学原理，从更深层次分析我国完成嫦娥一号工程的艰辛
关键词：奔月过程万有引力定律向心力角动量守恒
一、问题的提出
近些年，我国宇航事业蓬勃发展，取得了显著的成果，其中最激动人心的事件当中就包括“嫦娥一号”工程的顺利进行，这次工程的成功也为后期的嫦娥工程奠定了坚实的基础，为我国下一步登月计划以及更深层次对外太空开发开了先河，所以，有必要对这次工程进行深度剖析。

二、“嫦娥一号”探月过程
1．升空
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（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按照预定计划，向在太空飞行的“嫦娥一号”卫星发出变轨指令，对其实施远地点变轨。

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。

这次变轨表明，“嫦娥一号”卫星推进系统工作正常，也为随后进行的3次近地点变轨奠定了基础。

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，北京航天飞行控制中心向“嫦娥一号”卫星发出指令，开始实施第二次变轨。

这是卫星的第一次近地点变轨。

11分钟后，远望三号测量船传来消息，卫星变轨成功。

变轨前，北京飞控中心对轨道参数及控制参数进行了精确计算，随后向在太空飞行了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。

“嫦娥一号”卫星进入48小时周期轨道后，先后开启太阳风离子探测器和太阳高能粒子探测器，进行数据采集和环境探测。

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”。

5．返回地球过程
（1）飞离月球过程当“嫦娥一号”完成绕月计划计划后，需要脱离月球的束缚，返回地球。

这时就可以再次点燃发动机，给“嫦娥一号”加速，提高其绕月环绕高度，直至脱离月球的吸引，奔向地球。

（2）飞向地球过程在“嫦娥一号”飞向地球的过程中也需要调整其飞行速度，改变其航向，直至被地球俘获，继而成为地球的一颗“人造卫星”。

（3）返回地球过程在“嫦娥一号”环绕地球运行过程中，继续实施变轨，降低绕行速度，最终在大海中圆满结束了自己的使命。

三、主要涉及的物理原理
1.万有引力定律
F: 两个物体之间的引力
G:万有引力常量
m1: 物体1的质量
m2: 物体2的质量
R: 两个物体之间的距离
依照国际单位制，F的单位为牛顿(N)，m1和m2的单位为千克(kg)，r 的单位为米(m)，常数G近似地等于6.67×10^-11 N·m^2/kg^2（牛顿平方米每二次方千克）。

2.向心力公式
F向=mrω^2 =mv^2/r=mvω=4π^2mr/T^2=4π^2mrf^2=4π^2n^2mr
其中：v为线速度，ω为角速度，m为物体质量，r为物体的运动半径，T为圆周运动周期，f为圆周运动频率，n为圆周运动转速。

公式联立，由于嫦娥一号卫星在离开地球表面进入外太空后，地球对它只有万有引力作为它绕着地球进行转动的力，因此，此时万有引力等于向心力。

就不难得到这样的公式。

这里就要用到关于卫星在地球近似圆形轨道上，由于不受
其他外力的情况下，角动量是守恒的，所以可以让卫星绕着地球进行圆周运动。

（一个不受外力或外界场作用的质点系，其质点之间相互作用的内力服从牛顿第三定律，因而质点系的内力对任一点的主矩为零，从而导出质点系的角动量守恒。

如质点系受到的外力系对某一固定轴之矩的代数和为零，则质点系对该轴的角动量守恒。

）
万有引力F=GMm/（R^2）（1）
向心力Fn=mv^2/R（2）
（1）=（2），求出v^2=GM/R（3）
我们不难看出在嫦娥一号没有离开地球之前，它的运行轨道与它的运行速度的平方成反比。

而在不同轨道它的运行周期又是固定的，所以，我们可以建立一系列的逻辑关系。

于是就有了一张关于嫦娥一号在轨运行周期分布。

3.第二宇宙速度
假设在地球上将一颗质量为m的卫星发射到脱离地球引力的速度为V；地球半径为R;此时卫星绕太阳运动可认为是不受地球引力，距离地球无穷远；
认为无穷远处是引力势能0势面，并且发射速度是最小速度，则卫星刚好可以到达无穷远处，设r为地球至无限远那点处的距离。

由能量守恒得
1/2*m*v^2-mgR=GMm/r
∵r→∞,mgR为地球表面重力势能
所以GMm/r≈0
解得v=√（2gR）=11.2km/s
也就解释了嫦娥一号之所以能够脱离地球引力场进入月球引力场的原因。

四、“嫦娥一号”身上那些鲜为人知的故事
测控系统：联合航天测控网护驾远行
“嫦娥一号”此次前往月球，可谓初出远门，且路途遥远，因此如何使它在茫茫的太空中不偏离航道、迷失方向就成为一项重要的工作。

按照计划，此项光荣而艰巨的任务由五大系统之一的测控系统来完成。

科学地说，测控系统是“嫦娥一号”与地球之间的信息桥梁，它的任务就是负责完成对运载火箭及月球探测器的跟踪、遥测、遥控和数据传输等任务，通过它，我们可以了解“嫦娥一号”的飞行轨道、飞行状态，监测它的健康情况，对它发出各种控制指令以完成预定的任务操作。

此次任务对我国现有的测控系统提出了新的挑战。

以前我国所进行的航天测控一般是采用统一的S频段航天测控网(USB)，尽管它经过了包括载人航天工程在内的地球卫星、载人飞船等的严格考验，证明了它的先进性、成熟性和可靠度。

但是，对于月球探测工程来说，一方面，由于月球卫星距离地面测控站的距离比地球卫星远得多，所以测量控制的难度大得多；另一方面，我们对月球特别是其重力异常等情况了解不多，所以只有在确保“看得见”和“测得准”的基准下，才能及时“控得住”。

经过我国测控专家的多方研究、实验和论证，为了保证“嫦娥一号”探月的万无一失，采取了以S频段航天测控网(由北京、长春、青岛、西安、西昌、太原、酒泉、南宁、喀什等测控点以及远望号测量船构成)为主、以甚长基线干涉网(由北京、上海、昆明、乌鲁木齐四个天文观测站构成)为辅的联合航天测控网，并且在此基础上，根据探月的特点进行适当的技术改进，以满足“嫦娥一号”各飞行阶段的遥测、遥控、轨道测量和导航任务，让远行的“嫦娥一号”一路平安飞完它的闪光一生。

资讯：“东方红”3号卫星资料
它选用“东方红”3号卫星平台作为基本平台，但是又根据月球探测任务需要进行了技术改进。

改进后的卫星平台包括GNC(制导、导航与控制)分系统、推进分系统、结构分系统、电源分系统、热控分系统、数据管理分系统和测控数传分系统。

选用“东方红”3号卫星平台主要是由于它的高度可靠性，它采用了许多较先进的技术，如全三轴稳定、统一双组元液体推进、公用平台设计、大面积密栅太阳电池阵和高强度轻重量碳纤维多层复合材料等。

“东方红”3号卫星是中国新一代通信卫星，主要用于电视传输、电话、电报、传真、广播和数据传输等业务。

它具有国际同类卫星(中型容量)的先进水平，于1997年5月12日由“长征三号甲”运载火箭发射升空，并准确进入倾角28.4°，周期10小时39分，近地点为207km，远地点为36194km的大椭圆转移轨道。

按预定飞行程序，在地面测控系统的测控管理下，卫星先后完成进入OBC太阳搜索模式；南北太阳电池阵展开；通信天线的展开；远地点变轨发动机经过第三次点火变轨，卫星进入准静止轨道，并完成定点捕获；5月20日16时卫星成功的定点于东经125°赤道上空。

“嫦娥一号”选用的有效载荷包括CCD立体相机、激光高度计、成像光谱仪、伽玛/X射线谱仪、微波探测仪和空间环境探测仪(包括太阳高能粒子探测器和低能离子探测器)等。

CCD相机和激光高度计共同承担月球表面三维影像探测任务。

其中CCD立体相机是拍摄全月面三维影像的专用相机，在中国属首次使用；激光高度计用于探测月球海拔高度，当它完成绕月旅行，月面每个探测点的海拔高度就一清二楚了。

这些数值一旦与CCD立体相机拍摄的平面图像相叠加，就是一幅完整而精确的月面三维地形图。

成像光谱仪、伽玛/ X射线谱仪共同承担月表化学元素与物质探测任务。

成像光谱仪用于获取月面光波图谱；伽马/X射线谱仪用于探测月球表面元素，两种仪器所获得的数据结合起来，就可以绘制各元素的全月球分布图，月球岩石、矿物和地质学专题图等，发现各元素在月表的富集区，评估月球矿产资源的开发利用前景等；
微波探测仪承担月壤厚度探测任务。

这次“嫦娥一号”身上携带的微波探测仪是世界上首次在探月卫星上装载微波遥感装置，用以实现对月面更为细致深入的探测，并将对所发回的数据进行反演和解析。

微波探测仪除用于获取月壤厚度信息外，还能给出月球背面的亮度温度图和月球两极地面的信息。

空间环境探测仪进行地月空间环境探测。

太阳高能粒子探测器负责捕获太阳宇宙线高能粒子如质子、重离子和电子等；而低能离子探测器则负责捕获太阳风中的低能离子体，并以此为基础研究地月空间环境。

结论：可以说，在“嫦娥一号”工程的整个进程中，是测控理论的完美演绎。

五、网友对嫦娥一号成功的评价
448楼巴万陆军中士发表于 2007-10-25 1:08:24
对月球、月球系，我们将有不可替代的重量级话语权、实际掌控权。

中华民族自有历史以来，首次冲向月球，意义非凡...得益于我国的经济发展水平的提升。

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444楼铁木辛哥元帅中国海军大校发表于 2007-10-25 0:56:25
在当今社会把科技势为第一生产力的今天,我们在一些领域内取得了突破,不足以改观我们整个社会科技生产力不足的局面.但今天我们在一个高端领域再次实现了质的突破,另人欢欣鼓舞的一刻在今天被历史铭记.
航空航天空间技术是一个国家拥有强大实力的表现,并且在掌握这一狭窄区域的技术上我们有一定优势,并且积累了丰富的经验,
长征火箭\神舟飞船\北斗卫星\到现在嫦娥奔月,我们用自己的一步步坚实的努力来向世界展示了一个强大的华夏民族,一个另世人瞩目佩服的中国正泰然屹立在世界强国之林.
嫦娥奔月计划的成功实施,将我国现行的航空航天和外层空间的技术研究层面提升到一个新的台阶.为向外太空继续空间探索研究提供了技术上的支持
成功的缩小是与航天大国美俄的跨代差距,这是我华夏民族梦寐千年的夙愿,今天终于有了跨越历史的一步,我们民族自豪心在激情澎湃.
我外层空间技术实力的不断提高不仅充实了现代科技工业,也为我面对日益严重的外层空间威胁奠定了坚实的技术基础,为国防事业提供了充分技术保障.
发射的圆满成功也体现了我航天技术的优越性和稳定性,为日后与世界国家合作\承接\开展航天器材发射运行提供了又一个成功的佐证.
用实力为后盾\安全系数做保障的隐性经济发展空间巨大,为承接\研制\发送\运营高端航天器材的经济互补模式铺平了道路
这也是我国人,人人都感到自豪的时期,国家富裕,社会安定,人民安居乐业,万物发展欣欣向荣,神舟飞船的成功我们还未曾忘记,嫦娥又改写新的华章
嫦娥的挥袖飞天将我华夏民族的心又紧紧凝聚在一起,国家之幸甚,科技幸甚,民族自豪之幸甚,万众欢腾,举世瞩目我们心情何等喜悦,自豪之情无以言表.
历史的年轮已经跨越五千个春秋,我浩瀚中华儿女满怀雄心壮志,继续为中华文化故园雄风在展,为世界东方升腾的巨龙而继续奋斗.
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六、结论
嫦娥一号的成功是中国宇航事业上里程碑式的一页，为我国进一步开发外太空，以及提高民族凝聚力起到关键性价值，本文只是简单阐述了一些大学物理以及高中物理中可以进一步解释嫦娥一号升天秘密的知识，方便人们从科学角度更好了解嫦娥一号。

七、参考文献
（1）郭应征、周志红编著《理论力学》，清华大学出版社
（2）赵凯华、罗蔚茵编著《力学》高等教育出版社
（3）百度知道等一系列网络资源
（4）芶秉聪、胡海云编著《大学物理》，国防工业出版社。