航天器变轨和对接问题浅议

冯昊

(大同二中，山西 大同 0 3 7 0 0 0)

航天器变轨和对接问题浅议

冯昊

(大同二中，山西 大同 0 3 7 0 0 0)

学生对航天器的变轨及对接存在较大兴趣。航天器的变轨和对接涉及到物理知识中的圆周运动、供求平衡关系等。本文通过实际举例，阐述航天器的变轨及对接问题。

航天器；变轨；对接

在进行物理学习时，关于航天及万有引力的探讨是必可不少的，通过对知识点的了解，我们可以发现，在以往人造卫星发射成功的同时，对引力进行充分考虑及衡量是保证发射效率的基本前提，要想达到最佳射程，就需要充分考虑地球引力，相对的卫星的发射难度也就不断增加，因此我们在一般情况下进行圆周轨道发射时，会首先将卫星引入与地面距离较近的轨道内，再通过点火操作实现其快速运行，使其呈现离心特点，当达到转移轨道时，还需要进行上述动作，使其进一步达到预设轨道。

以下浅析航天器的变轨和对接问题。

在我们学习物理的过程中，在对人造卫星、航天飞机等的问题进行解答时，可以以圆周运动规律为基础，通过向心力的平衡状态进行结果判定，从而得到正确答案。当向心力的供求达到平衡状态时，也是供求两边相等，物体就会做出速度匀称的圆周运动；一旦供求平衡状态被打破，供小于求时，也就出现了供与求不相符的状态，物体就会呈现离心状态运动；当供大于求时，也是不平衡状态，物体就会呈现向心状态运动。

例1：人造卫星进行变轨是达到发射要求的必行之举，如神州八号，如果其发射轨道与天宫一号的轨道不在一个平面上，那么对接操作就无法进行，因此它只有变轨，变道与天宫一号同一轨道才能够顺利完成对接。神州八号飞船的成功发射，代表着我国的空间交会对接能力已经初具模型，实际对接状态为：飞船在达到停泊点时会继续前移4 0 0 m，而天宫一号则在第4及第1 3圈进行变轨运动等等，下面还有一系列的变轨对接活动，因此我们就可以发现，在变轨过程中是需要进行较为严密的计算机衡量的，距离与距离之间更要达到变轨实际需求，只有这样才能实现真正意义上的变轨对接活动，使发射效率达到预期标准。

飞船欲与“天宫一号”成功地对接,飞船需要追上“天宫一号”,可采用的方法是从较低轨道加速飞船在较低轨道上运行时,它受到的万有引力正好提供它所需要的向心力。若飞船加速,则万有引力小于向心力,飞船将做离心运动,升到较高轨道与“天宫一号”对接。若飞船从与“天宫一号”同一高度的轨道加速或从较高轨道加速。它将升到更高的轨道上,无法实现交会对接。

例2：我们可以通过神州七号发射时形成的数据信息进行较为严密的研究，通过相关数据表明，神舟七号在发射时变轨信息具体表现为，由最初阶段的进入的轨道的倾斜角为4 2.4°，与地表面相差的距离值为2 0 0 k m，这一轨道处于远离地面的3 4 7 m，具有椭圆特点的轨道结构上，在完成4圈以后的飞行时，进入下一圈是关键点，这时需要对飞船进行变轨处理，使其能够在被操控的同时到达应进入的轨道上。

当飞船在初始轨道上进行运动时，会形成距离地面较近的点，也会形成离地面较远的点，通常情况下，当飞船运行至离地面较远的距离时，就可以对其进行点火，使其速度得到提升，使飞船能够在速度的推动下顺利达到下一轨道。但是在我们进行问题解答时，会相应出现几个问题误导我们，如果我们对知识掌握不够扎实，就会受相似答案误导，选出错误选项。

一般情况下的相似问题会这样提出：飞船在初始轨道运行时，近地点的地球引力会大于发射所必备的向心力；飞船在初始轨道上运行的过程中，距离地面较远的点的地球引力，会大于发射必备的向心力；飞船在初始轨道上的距离地面较远的点的速度会小于下一轨道上相同点的速度；在初始轨道上远离地面的点的速度会大于下一轨道上相同点的速度。

我们在进行分析时可以发现，飞船在最初的轨道上进行运转，肯定是与地面越接近速度就会越快，这就相当于飞船在与地面较近的位置点与地球的中心点的半径范围内是做出离心运动的，这也就间接的表明了这个位置点所承受的地球引力，比该点所要求的向心力要小；在远离地面的位置点上的飞船由于受到应力影响，速度就会有所减缓，这时在轨道上所做的运动就是向心运动，这就表明飞船在这一位置点上所承载的地球引力是大于该点所要求的向心力的。

当飞船从初始轨道上运行至距离地面较远的位置点上，飞船就可以通过点火，从尾部向外喷射气体，形成作用力，提升飞船运行速度，而地球本身存在的万有引力是不变的，这时地球引力对飞船的圆周运动影响力明显不足，飞船就会沿着最初轨道做出离心运动，达到下一轨道上。

还会出现另一面的状况，当飞船在脱离初始轨道进入下一轨道进行运动时，达到远离地面的点就会向前方喷出气体，这样速度就会得到削减，这时地球引力就会大于位置点所需要的向心力，飞船就会做出向心运动，并重新回到初始轨道上，因此飞船在这一轨道上的运行速度是明显小于下一轨道上相同位置点的速度的；当飞船运动到远离地面的位置点时，不管是在哪个轨道上，所承受的地球引力都是一致的，并不会发生改变，我们通过物理中的牛顿第二定律就可以得出结论，飞船在上述两个轨道上的加速度是相同的，因此就可以得出正确答案。

例3：我国的探月计划主要被划分为三个推进环节，我们通过了解后可以发现，探月的第一步就是绕，这一内容是由我国的首颗人造卫星完成的，在完成发射任务后，嫦娥一号需要花费九天左右的时间进行相关轨道段的飞行。我们可以做出假想，如果这一探测卫星是围绕地球进行圆周运动，并且保持较为匀速的状态，并且在最为恰当的关键点上进行点火，并提升速度，使其能够进入到与地面相近的位置点，同时在地球表面的相近范围内、距离较远的位置点在月球表面的相近范围内的椭圆轨道上进行运动。

如果想要在此种状态下使该卫星进行环绕月球的轨道上，那么就需要在离月球较近的位置点，也可以说成是离地球较远的位置启动火箭运行，并保持与实际运行状态相背离的方向喷射气体。这主要是因为，嫦娥一号是月球探测卫星，为了使其能够在正常状态下脱离椭圆轨道，进入月球环绕轨道，就应当在距离月球表面的位置点进行点火，使其速度下降，也就是需要产生方向的作用力，使月球本身引力大于圆周运动所需向心力，只有这样才能够实现变轨运动。

例4：当航天器处于同一轨道上，其中一个领先于另一个，两航天器的交会称为共轨交会。要实现航天器的共轨交会，可通过对问题进行理解，并结合物理知识就可以得出相应结论，此时航天飞机应减速，从而进入一个较小的轨道（相位调整轨道）。较小的轨道对应的周期较小，如果速度降低的适当，当航天飞机完成一个周期的运动回到开始减速的位置时，通信卫星刚好也到达这里，即可实现交会。

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