论述“嫦娥一号”奔月的主要过程及其其中的物理学原理

论述“嫦娥一号”奔月的主要过程

及其其中的物理学原理

郭怡君01430803班20080369

摘要: 本文通过对“嫦娥一号”奔月过程的阐述，对其中所应用的主要物理学原理的进行了分析。

关键词:“嫦娥一号”；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。

2. “嫦娥一号”的探月过程

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”探月卫星发射升空，奔向月球，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。卫星近地点高度由约200公里抬高到约600公里。

（2）第二次变轨。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。

（3）第三次变轨。“嫦娥一号”卫星在24小时轨道飞行第３圈时，再次实行近地点变轨后，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

发动机工作784秒后，正常关机。“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。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）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“嫦娥一号”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“嫦娥一号”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。“嫦娥一号”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。

5．返回地球过程

（1）飞离月球过程“嫦娥一号”完成绕月计划计划后，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）．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（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“嫦娥一号”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。

（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。（4）．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。

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