课题研究“神舟八号”与“天宫一号”的空间交会对接

李维兵

(南通高等师范学校 江苏 南通 226100)

2011年9月29日，我国在酒泉卫星发射中心用长征二号F运载火箭将“天宫一号”目标飞行器发射升空.11月1日， “神舟八号”又成功发射.11月3日凌晨，“神舟八号” 与“天宫一号”目标飞行器实现空间交会对接(图1)，形成组合体.成功对接标志着中国继美国、俄罗斯成为世界上第三个自主掌握并成功实施航天器空间交会对接技术的国家.由于交会对接过程中，涉及中学物理的天体运动中的变轨、追及等问题，因此教师可以很好地引导学生来开展一个与航天器交会对接的课题研究活动，一方面对中学教材的补充，使学生掌握最新科技动态；另一方面可以培养学生学习物理的兴趣和爱好.课题研究如下.

图1 两航天器空间交会对接模拟图

1 课题准备

提前两周将课题任务布置给学生，让学生在课余时间利用广播、电视、报刊、因特网等查找关于 “神舟八号”和“天宫一号”对接以及交会对接技术的相关资料，并思考如何运用中学物理中的圆周运动、万有引力定律、宇宙速度等知识来解决实际问题.

2 课题探讨

(1)教师通过视频展示 “神舟八号”与“天宫一号”交会对接的录像并提出要探讨的问题.

1)了解空间交会对接；

2)“神舟八号”从发射后到对接成功，可分几个阶段；

3)“神舟八号”与“天宫一号”交会对接意义.

(2)学生分组按要求整理搜集到的资料

1)空间的两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点的轨道控制过程及结果称做轨道交会.在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器称做空间对接.

2)“神舟八号”从发射后到对接成功可分两个阶段.

首先是变轨阶段.“神舟八号”从地面发射升空后，在地面指令引导下，经过5次变轨控制，飞抵“天宫一号”后下方约52 km处，转入自主控制飞行状态；再经过4次自主变轨控制，抵达距“天宫一号”约5 km的对接入口点.飞船暂停“脚步”，等待地面对两航天器相对导航计算结果进行确认.

其次是对接阶段.“神舟八号”船载发动机再次点火，继续飞向“天宫一号”，在相对距离400 m停泊点，驻足约3 min，以0.5 m/s的相对速度接近“天宫一号”，进入相对距离30 m停泊点，“神舟八号”以0.2 m/s的相对速度，向“天宫一号”缓缓靠拢.

3)“神舟八号”与“天宫一号”交会对接的意义主要体现在四个方面.一是为我国将来运行的空间设施提供物资补给和人员运输服务作准备；二是为我国将来的空间设施的建造和运行服务作准备；三是为将来进行空间飞行器重构以实现系统优化作准备；四是为我国将来载人登月和升空探测任务作准备.因此，“神舟八号”与“天宫一号”成功对接是发展航天技术、增强人类探索和开发太空资源能力的一项重大关键技术.

(3)全班交流、讨论、归纳，教师适时引导、点拨.

3 课题应用

教师通过幻灯片和讲义展示，结合中学阶段所学的知识，举例来分析变轨和对接问题.

(1)关于变轨过程中的问题讨论

【例1】若“天宫一号”能在离地面约300 km高的圆轨道上正常运行， “神舟八号”从地面发射后，在对接前，经过5次变轨控制，飞抵“天宫一号”后下方约52 km处，转入自主控制飞行状态.再经过4次自主变轨控制，抵达距“天宫一号”约5 km的对接入口点.下面说法中正确的是

A.“神舟八号”的发射速度应大于第二宇宙速度

B.在关闭发动机,飞船暂停“脚步”时，“神舟八号”的加速度小于“天宫一号”的加速度

C.在每次变轨的瞬间,“神舟八号”发动机需点火加速

D.在每次变轨的瞬间,“神舟八号”发动机需点火减速

(2)关于对接过程中的问题讨论

【例2】若对接前的某段时间内，“神舟八号”与“天宫一号”已经处在同一圆形轨道上顺时针运行，如图2所示，则在“神舟八号”的发动机点火追赶“天宫一号”，两飞行器实现成功对接的过程中，下列说法正确的是

A.“神八”飞船和“天宫一号”的角速度相同

B.“神八”飞船比“天宫一号”的角速度大

C.对接过程中，“神八”飞船应向运动的后上方喷气以实现加速追赶同轨道的“天宫一号”

D.对接过程中，“神八”飞船应向运动的后下方喷气以实现加速追赶同轨道的“天宫一号”

图2 两航天器成功对接的示意图

启发学生分析：由题意可知，对接前的某段时间内，两船已经处在同一圆形轨道(图3).此时“神舟八号”的速度比“天宫一号”大.故“神舟八号”的角速度大.选项A错误，选项B正确.对接过程中实现的是同轨道加速，需要“神舟八号”的速度要比“天宫一号”大点，通过喷气加速，使得切线方向有力，即F2=F切，由于“神舟八号”速度大了，所需的向心力就比万有引力大，为了使运动轨道不变，即此时喷气使得在法线方向也有力，即F万+F1=F向.

图3 航天器对接的受力分析

要使“神舟八号”与“天宫一号”对接成功，发动机提供的动力应该如图3所示，喷气的方向应该是F1和F2的合力F的反方向，所以“神舟八号”应向运动的后上方喷气以实现加速追赶同轨道的“天宫一号”.

4 课题跟踪

带着课题研究的热情和兴趣，继续关注航天事业，“神舟八号”和“天宫一号”成功对接，意义十分重大.不久将迎来“神舟九号”的对接，和“神舟十号”的载人对接.今后的载人飞船发射时间间隔将大大缩短，目标飞行器发射当天就可以发射对接飞船，将更好、更快捷地服务于太空空间站建设.同时 “神八”成功对接，标志中国人转移到其他星球上居住和生活将不再是幻想，完全有能力开发出更加美好的生活空间，来解决将来中国生活空间越来越拥挤的现状.