论述“嫦娥二号”奔月的主要过程及其其中的物理学原理

论述“嫦娥二号”工程及其中的
物理学原理
摘要: 本文通过对“嫦娥二号”工程的简要阐述及其特点，对其中所应用的主要物理学原理的进行了分析。

关键词:“嫦娥二号”；万有引力定律；开普勒第二定律
1. 引言
1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，从此，开创了人类航天时代的新纪元。

三十多年来，伴随着空间活动的频繁发生，逐渐形成了一门独特的综合性学科——空间科学。

它主要是利用空间飞行器作为手段来研究发生在宇宙空间的物理、化学和生命等自然现象的一门前沿科学，包括了空间物理学、空间天文学、空间化学、空间地质学、空间材料科学和空间生命科学等分支。

北京时间2007年10月24日，我国首颗以古代神话人物嫦娥命名的“嫦娥一号”卫星从西昌卫星发射中心成功发射升空。

这标志着我国的航天事业又向前迈出了一大步，我国的深空探测又迈进了一大步。

而之后，在中国航天人的不断努力下，嫦娥二号在北京时间2010年10月1日18时59分57秒345毫秒，在西昌卫星发射中心，成功发射。

2. “嫦娥二号”的探月过程
2010年10月1日下午18时59分57秒，中国探月二期工程先导星“嫦娥二号”在西昌点火升空，准确入轨，赴月球拍摄月球表面影象、获取极区表面数据，为嫦娥三号在月球软着陆做准备。

“承前启后，持续发展”，这是欧阳院士对嫦娥二号承载使命的概述。

他表示，嫦娥二号作为探月二期工程的先导星，在工程上的主要任务是试验验证与月面软着陆相关的部分关键技术和新设备，试验新的奔月轨道，降低探月工程二期的技术风险；其在科学上的首要任务是对月面着陆区进行详查，精细地测绘着陆区的地形地貌。

总体来讲，嫦娥二号执行的是对月球“精细探测”的任务，以利于今后嫦娥三号能够安全地在月球表面软着陆，它的表现将为探月二期的实施成功奠定科学和技术基础。

相对嫦娥二号来说，嫦娥二号做了多方面改进和提高，欧阳院士将其概括为八个方面：第一，嫦娥一号与嫦娥二号的轨道设计不同，这次发射的嫦娥二号将新开辟地月之间的“直航航线”，即直接发射至地月转移轨道，这将使嫦娥二号的地月飞行时间大大缩短；
第二，嫦娥二号卫星将在距月球表面约100千米高度的极轨轨道上绕月运行，较
嫦娥一号距月表200千米的轨道要低，有利于对重点地区做出精细测绘；
第三，嫦娥二号直飞月球的方式对运载火箭的入轨精度和入轨速度提出了更高要求，执行此次任务
嫦娥二号的任务
长征三号丙火箭，较之前护送嫦娥一号上天的长征三号甲火箭增加了两个助推器；
第四，为获得着陆区的精细地形数据，嫦娥二号激光高度计在月面上留下的“激光足印”间距更小，激光测距精度也可达5米，从而获得月球上几个重点区域的高密度高程测量数据；
第五，嫦娥二号所携带的CCD立体相机的空间分辨率由嫦娥一号时期的120米左右提高到小于10米，其他探测设备也将有所改进，所探测到的有关月球的数据将更加详实；
第六，嫦娥二号的主要科学目标是对月球着陆区和其他重点区域进行精细测绘、立体成像，精细探测月面的元素成分与分布，月壤的电磁特性、粒度纬度和月壤层厚度，近月空间的环境等。

嫦娥二号将获得的这些更高空间分辨率的探测数据可以与嫦娥一号的探测数据进行互相校核；
第七，嫦娥二号将演练嫦娥三号软着陆前的15千米×100千米椭圆轨道，这是探月卫星首次如此近地接近月表；
第八，根据月球探测二期工程的要求，新增了X波段的测控，使得我国深空测控通信能力将扩展到“地球——火星”间的距离。

1．环绕月球运行过程：
（1）实施第一次近月制动，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。

降低了“嫦娥二号”卫星的飞行速度，以防逃逸月球。

（2）实施第二次近月制动后，卫星顺利进入周期为3.5小时的环月小椭圆轨道，进一步降低“嫦娥二号”飞行速度，使其进入“过渡”轨道，为卫星最终进入工作轨道做准备。

（3）第三次制动。

“嫦娥二号”卫星主发动机点火，实施第三次近月制动，主发动机关机，第三次近月制动结束。

“嫦娥二号”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。

2．返回地球过程：
（1）飞离月球过程“嫦娥二号”完成绕月计划计划后，再次点燃发动机，给“嫦娥二号”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）返回地球过程环绕地球运行过程中，继续实施变轨，降低绕行速度，选择适当位置。

3. 奔月过程中的主要物理学原理
（1）．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。

（2）.环绕地、月运行过程中所遵从的物理原理
“嫦娥二号”在环绕地、月运行过程中，分别以地球与月球所施加的万有吸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。

根据开普勒第二定律（即在相等的时间内扫过的面积相等），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“嫦娥二号”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）．着陆地球过程中所遵从的物理原理
要实现卫星着陆地球，就要其运动速度小于环绕地球运行的最小速度（即第一宇宙速度），因此，在卫星装备着陆时需要进一步地降低运动速度。

而在其下落过程中，由于受地球引力的作用，其运动速度会不断增大，若不采取措施，落地的速度就会很大。

因此，在其下落过程中又要采取降速的措施，即通过制动以及降落伞为返回的卫星减速，以便安全着陆。

在“登月车”着陆月球时，原理大致相同。

（4）．升空过程中的物理原理
在长征运载火箭将“嫦娥二号”送入太空的过程中，要求其发射速度至少到第一宇宙速度（7．9公里／秒）
由于卫星飞离地球时有一定的高度，即距离地心的距离要大于地球的半径，因此卫星要飞离地球其速度要大于第一宇宙速度。

只有这样才能保证“嫦娥二号”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我们所熟知的动量定理（近似情况下，可视整个系统的动量守恒），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（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——牛顿第二定理），直至将“嫦娥二号”的速度提升到发射速度。

火箭在大气层内运动的过程中，与大气的摩擦力是很大的，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到达很高。

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。

参考文献
1.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
2.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
3.物理学原理在工程技术中的应用（第二版）.高等教育出版社
4.张三慧等.大学物理学.力学[M].北京：清华大学出版社。