高中物理知识在航空航天中的应用实例分析

摘要：近十几年来，随着我国航天事业的快速崛起，神州系列飞船及嫦娥系列卫星的成功发射，国人的航天梦正在稳步向前迈进。在我国航天事业蓬勃发展的同时，航空航天相关的热点话题在高考中体现的越来越明显。这也体现了物理知识在科技发展、生活应用等方面的实践要求。为此我想就万有引力定律在天体运动中的綜合应用、天体运动中功和能方面来展开我理解的航空航天应用中的物理问题。

关键词：高中物理；航空航天；实例分析

基于科学技术的不断进步，我国在诸多科研领域取得了一系列的成果，尤其是以航空航天方面的发展最具有代表性，自神舟系列飞船的发射成功，我国在航空航天领域和欧美发达国家之间的差距不断缩小。作为一名高中生，除了对我国航空航天技术研究取得的成果感到自豪以外，也需要深入了解其中的科学知识，与高中各学科之间建立更加紧密的联系。作为与航空航天研究较为密切的物理学科来说，高中阶段物理学中的力学等知识点能够解答一些较为基础的现象。

一、高中物理知识与航空航天技术的联系

人类对于天文方面的研究自很早以前就开始了，并且，天文学对人类文明发展的重要性不断增加，基于天体运行规律的24节气就由此而来，我国著名天文学家、科学家张衡的浑天仪就是古代人们研究天文学知识的伟大成果。然而，为了深入探究天文学知识，人类曾试着通过各种方式进入太空，经过无数次的试验之后，人类已经掌握了多种进入太空的方式。

众所周知，进入太空需要摆脱地球引力的作用，从高中物理知识体系中的万有引力定律可以发现，这种来自地球的力量是强大的，以当前我国所使用的运载火箭为例，则需要使用大量的燃料才能够将一定质量的人和物质运送到太空之中。不仅如此，在航空航天的具体实施过程中，还需要对发射时间、地点等相关要素进行分析，运用物理学知识，保证运载火箭能够沿着预定轨迹进入指定高度的运行轨道。

二、高中物理学知识在航空航天中的应用实例

在航空航天领域，为实现运载火箭、在轨卫星或在轨飞行器的正常工作，使用到了大量的物理学知识，其中就包括我们在高中阶段所学的物理知识体系。

1.在轨飞行器的变轨

受地球引力的作用，经过长时间的在轨飞行之后，飞行器的高度将无法持续保持，运行轨道的近地点高度不断下降，如不加以控制，则会导致飞行器坠入大气层而烧毁。为避免这一悲剧的发生，研究人员在飞行器的各个位置安装了多个火箭发动机，根据当前飞行器的姿态，分析进入调整轨道过程中各个方向所需要的力的大小，选择与之相适应的火箭发动机点火，进而维持飞行器的轨道稳定，或者是进入新的轨道。

这里需要注意的是，多个火箭发动机所产生的力具有矢量特性，为最大限度的减少对能源的浪费，则需要采取最佳的火箭点火方案，使其能够反向抵消地球的万有引力作用。

2.地球同步卫星中的物理知识

所谓地球同步卫星，是指与地球运转角速度相同的卫星，为实现对固定区域的持续性监测，人们在众多卫星运行轨道中发现了一种较为特殊的轨道，这就是地球同步运行轨道，在这一轨道上的卫星，也就称为地球同步卫星。

根据万有引力定律进行计算，地球同步卫星的轨道高度约为3.6×107米，并且，这一高度与卫星的质量没有任何关系。除了高度固定外，地球同步卫星的运行轨道与赤道为同心圆环，为实现地球同步卫星的正常运行，依据高中物理中的相关力学知识，则需要注意以下几个方面的问题。

首先，地球同步轨道卫星的运行方向与地球自转方向相同；

其次，在轨道倾角方面，地球同步维修的轨道倾角为0°；

第三，由于地球同步卫星轨道较高，因此，在发射过程中为减少燃料的携带量，则多采取二次变轨的方式进行调整，当卫星由运载火箭送入太空后，应当进入一级停泊轨道，其远地点Q距离地面的距离也就是3.6×107米，在Q点加开火箭发动机，实现万有引力、火箭助推力的平衡，并进入地球同步卫星轨道。

由于地球同步卫星轨道仅有一个，所以，随着地球同步卫星数量的增加，地球同步轨道资源也在不断缩减，这对于掌握同步轨道卫星发射技术的国家来说无疑是一个优势。

3.《火星救援》中的太空对接问题

人类探索太空的足迹正在逐渐延伸，作为距离地球较远的火星，人类已经制定了登陆计划，而在相关科幻电影中，就对此进行了描述。2015年较为著名的《火星救援》就是以此为题材，其中部分场景中的所使用到的高中物理学知识也让我们记忆深刻。

当科研小组返回火星救援马克时，科研小组组长采取空中对接方案时，由于马克所乘坐航空器燃料有限，在火星引力的作用下无法达到指定高度，因而与科研小组乘坐的飞船存在轨道高度差，根据万有引力定律可以明确，马克在地轨道的线速度要大于高轨道飞船的线速度，以飞船为参照物的情况下，马克相对于飞船的速度已经达到了42米/秒，在这样的情况下，则无法进行人工对接。为保证飞船返回所需燃料，组长采取了爆破尾舱，利用大气压强的方式降低自身速度，从而实现飞船变轨，从而完成与马克完成近距离低速对接。

这里需要解释的是，当在轨飞行器的线速度降低后，将受到万有引力的作用降低轨道，在降低的过程中，其速度也会不断增加，但是，这一增加量却不足以使其稳定在某一轨道上，除非提供新的线速度增量，否则，飞行器将会坠毁。

三、总结

物理知识源于人们对生活中各种现象的总结，属于应用性较强的学科之一，航空航天技术的发展为我国经济建设与国防建设方面提供了重要保障，作为高中生的我们，应当努力学习物理知识，加深对物理学科的认识，在完善自身物理知识体系的同时，具备使用物理学知识解释航空航天中各种现象的能力，甚至为我国航空航天事业发展贡献自己的力量。

参考文献：

[1]航天领域涉及的高中物理知识探究[J].熊梦飞.科学咨询（教育科研）.2018 （02）

[2]高中物理知识在生活中的应用分析[J].张海扶.科技风.2018 （13）

[3]万有引力与航天高考问题探析[J].陶汉斌，楼松年.中学教学参考.2015 （26）

作者简介：王鹤潼，女，汉族，籍贯：辽宁，沈阳实验中学学生。