基于中学物理知识浅谈载人航天工程七大系统

卢清华

摘要：物理学在载人航天工程中发挥着重要的作用，在火箭材料的选用和火箭发射以及系统运作方面都涉及到了不同的物理知识，也就是说物理学是航天工程的最基础学科，并且更加深奥的航天知识都是以物理学为基础展开的。本文主要介绍航天工程涉及到的中学物理知识及其应用。

关键词：中学物理航天工程七大系统

中图分类号：G633.7   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2017）16-0290-01

Abstract： physics plays an important role in manned space engineering. It involves different knowledge in the selection of rocket materials， rocket launches and system operation， that is to say， physics is the most basic discipline in space engineering. And the more profound knowledge of space is based on physics. This article mainly introduces the middle school physics knowledge and its application involved in aerospace engineering.

Key words： seven systems of physics and space engineering in middle school

1 航天工程七大系統概述

航天工程是一个整体，总共包含七大系统，只有各个系统间相互配合，才能够推进航天工程的发展，这七大系统可以分为三个部分，分别是人员、飞船以及发射与着陆，人员部分主要为航天员系统，包括航天员选拔工作以及以航天员为中心的医疗团队、营养食品，航天员系统能够为航天员提供稳定安全的工作环境[1]。飞船部分包含载人飞船系统、运载火箭系统、测控通信系统、飞船应用系统，这些系统共同控制着飞船的工作，能够实现飞船完成太空任务的全过程，并对飞船提供技术支持与设备保障[2]。发射与着陆部分包括发射场系统和着陆场系统，我国航天器主发射场地在酒泉卫星发射中心，主着陆场位于内蒙古中部四子王旗草原，这部分系统能够引导飞船进行精确地起飞和着陆。

2 涉及载人航天工程的物理知识

2.1动量守恒定律。动量守恒定律广泛存在于自然生活中，从本质上讲，整个系统是遵循动量守恒的，在航天工程中，动量守恒定律可以用来计算火箭收尾速度，以便于相关技术人员对火箭及飞船的重量和与液体燃料的储备量进行设计，以确保火箭推进器脱离后，飞船能够达到逃逸速度从而正常围绕地球进行圆周运动，增加喷气的速度和气体质量都有利于增加火箭的飞行速度，而相关专家需要根据动量守恒定律对火箭的飞行速度进行精确计算[3]。

2.2牛顿运动定律。氢氧发动机是我国在神舟系列飞船中使用较为广泛的火箭推进器，它将液氢和液氧作为火箭动力装置的推进剂，而火箭在飞行过程中符合牛顿运动定律，在燃料燃烧喷气产生的外力作用下，飞船才能够获得一定的高度，这个过程符合牛顿第三定律，在太空失重环境下，虽然不能测得重力的准确数据，但拉力等其他水平方向的力是可以通过相关设备得到准确数据的，这时牛顿第二定律就能够帮助航天员测量自己的体重，使得指挥中心及时获知航天员的身体状况。

2.3万有引力定律。万有引力定律在航天工程的很多方面都有非常重要的应用，主要包括开普勒定律和第一宇宙速度的计算，科学家们能够利用该定律对所需天体的质量进行计算，从而推导出飞船绕该天体做圆周运动相应速度，神舟十一号飞船在发射、在轨运行、变轨及对接过程中都运用了万有引力定律，相关技术人员及航天员能够通过该定律理解第一宇宙速度的意义，从而精确计算飞船的在轨飞行时间以及变到特定轨道所需要的相对速度。

3 中学物理知识在航天系统中的应用

3.1指导火箭推进原理。火箭推进理论是整个航天工程最基础的理论之一，火箭发动机能够使航天器达到所需要的速度，有利于火箭完成基本的圆周运动，宇宙飞船的重量是以吨为单位进行定义的，所以在宇宙飞船发射过程中需要助推火箭的作用，火箭的工作原理是利用反冲运动，将燃料通过燃烧产生的高温高压燃气从火箭尾部喷出，使得火箭获得巨大的上升速度，在中学物理知识中包括牛顿第三定律，即力的作用是相互的，通过燃料燃烧产生的蒸汽推动飞船的发射，运用反冲作用指导火箭推进器的正常工作。

3.2计算火箭的飞行速度。我国发射的嫦娥三号探测飞船、神舟十一号宇宙飞船在发射过程中都需要多级火箭的推动，多级火箭正是多次利用动量守恒定律计算出飞船的最终速度，通过提高喷气速度与火箭的质量比来提高火箭的速度，以至于火箭能够达到或超过第一宇宙速度而脱离地球，在火箭助推器喷气前后，整个飞船系统是保持动量守恒的，由于喷气前与喷气后的质量比发生了变化，在动量保持不变的情况下，喷气后的飞船就会获得相对较大的飞行速度，以神舟十一号为例，飞船起飞重量479吨，发射575秒后，与火箭推进器分离，而最终要达到的飞船飞行速度为11.4千米/秒。

3.3进行航天员的体重测量。神舟十号航天员王亚平在太空授课的过程中面向中小学生讲解了一些物理知识，其中就包括牛顿第二定律的应用。由于宇航员在太空无法及时获知自己的体重变化情况，为了检测航天员在太空的身体变化，必须按时进行体重测量，而应用牛顿第二定律，能够准确测出航天员的体重变化，在神舟十号实验中，教师王亚平将助教聂海胜固定在质量测量仪的一端，然后将其拉到一定位置后松手，支架会在弹簧的作用下回到初始位置，在太空中宇航员拉动支架使用的力和支架返回初始位置获得的加速度是可以测量的，由公式m=F/a，就很容易得出宇航员的体重。

4 结语

载人航天工程涉及到很多中学物理知识，无论是天宫系列空间站的发射还是神舟系列飞船的正常运行，都离不开物理学中一些基本原理的支持，尤其是牛顿运动定律和万有引力定律，掌握这些原理是发展航天事业的基础，能够帮助航天器设计专业人员和航天员解决相关问题，在航天工程的发展中有很重要的应用。

参考文献：

[1]泉琳.载人航天：中国人的飞天圆梦之路[J].科学新闻，2016.

[2]张健，王鸣晓，赵大鹏.航天技术中的物理学原理[J].科技与创新，2015.