物理在航空航天中的应用

袁浩翔

摘 要： 天体运动中的定律与航空航天具有密切的联系。本文首先分写介绍了开普勒定律、万有引力定律、三种宇宙速度三种航空航天领域中具有基础性意义的物理定律，随后从万有引力定律的综合应用和天体运动中功和能的运用两个方面，探讨了物理学科知识在航空航天领域中的实际应用。希望这些观点能够有效促进我国“陆海空天电”全领域战能力的大幅提升。

关键词： 物理学科;航天航空;万有引力

航空航天的发展对国民经济和社会生活产生了深远的影响，促进了社会经济效益的增长。探讨物理学科知识在航空航天领域中的应用，需要建构完整的知识脉络，夯实学科基础知识和基本技能，合理应用网络信息技术手段，深化对匀速圆周运动、牛顿运动定律、开普勒定律等知识的理解、记忆和应用，结合运动模型，掌握了解决问题的核心和切入点，以强化对天体运动的认知，为今后航空航天知识的学习铺平道路。

1 天体运动中的定律

1.1 开普勒定律

开普勒定律（Kepler's law），也叫“行星运动定律”对整个天文学界带来的重大的变革，完善并简化了哥白尼的日心说，从物理基础上解释太阳系结构的动力学原因。其轨道定律和面积定律最先表明天体的运动和轨迹是具有一定的特征和规律的，行星是沿着椭圆轨道围绕太阳进行运动的，太阳是这个椭圆轨迹的二个焦点之一，并且在等量的时间内，太阳和运动中行星的向量半径所扫过的面积都是相等的，换句话说，在行星运动的过程中，在近日点的运动速率为最大值，在远日点的运动速率为最小值。开普勒第三定律实际是天体运动的调和定律，证明了行星世界是一个匀称的（和谐系统，太阳系内天体运动周期的大小只与其中心天体有关，其公转周期的平方与行星轨道半长径的立方之比为常数。

1.2 万有引力定律

万有引力定律（law of universal gravitation）是牛顿于1687年首先提出的物理定律，该定律的出现，推动了地面上物体运动规律和天体运动规律之间有机统一，第一次揭示了自然界中一种基本相互作用的规律，对物理学领域和天文学领域都产生了深远的影响。万有引力定律清晰的阐述了自然界中存在的任何物体之间都会存在“力”的作用，其引力的大小由物体的质量与物体间的距离有所决定，说明了行星运动规律，正式将力学理论纳入到天体运动的研究领域，设置该定律还适用于解释所有两个质点之间的相互作用力，具有广泛的实用价值。[1]

1.3 三种宇宙速度

第一宇宙速度（V1）也叫做环绕速度，指卫星沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也是卫星成功发射的最小速度，按照力学理论可以计算出V1=7.9公里/秒。也就是说如果卫星的运动速度小于第一宇宙速度，受到牛顿万有引力影响，卫星会做向心运动落在地球上，发射失败。与此同时，其运动的轨迹高度越高，圆周运动的线速度越小，地面对卫星的引力也就越小。第二宇宙速度（V2）也叫做脱离速度，是指当卫星运动速度超过第一宇宙速度V1达到一定值时，其环绕轨道的椭圆形的长轴就会随之延长，最终脱离地球的引力场成为围绕太阳运行的人造行星，其计算结果为V2=11.2公里/秒，是使得物体摆脱地球引力的最小的发射速度。第三宇宙速度（V3）也叫逃逸速度，指随着发射速度持续增长，从地球表面发射的卫星最终会挣脱太阳引力的束缚，飞到太阳系之外，到浩瀚的银河系中漫游，其速度的大小为V3=16.7公里/秒。

2 物理在航空航天中的应用

2.1 万有引力定律的综合应用

万有引力的定律为任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比，根据公式其操作定义可以表述为万有引力等于引力常量乘以两物体质量的乘积除以它们距离的平方。其中重力理念在航空航天中的应用最为广泛，重力加速度（g）随着天体与地面之间的高度（h）变化而产生相应的变化，假设重力（g）与地球对物体的吸引力可以互相抵消，其计算公式可以表示为：F= GMm r2 。将万有引力定律应用到中心天体质量的估算中，需要借助天体运动周期（T）和轨道半径（R）或依据中心天体表面的重力加速度（g）和半径（r）求出相应的数值。基于上述的物理知识能够在航空航天中精准的定位卫星的轨道位置，对其自由圆周运动进行预估，通过科学系统的操作进行变轨运动，进一步推进现代社会的航空航天事业的可持续健康发展。[2]

2.2 天体运动中功和能的运用

能是由物体运动状态决定的物理量，功是与物体运动状态变化过程有关的物理量，可以使物体内的能量发生相应的变化，两者既相互联系又相互区别，共同决定物理学中把力和物体在力的方向。将该物理概念应用到航空航天领域，将其与万有引力的相關知识进行有机结合，能够科学有效的解决人类航天活动中的实际问题。例如，开展月球探测工作已成为当前国际航空航天活动的必然趋势和竞争热点，月球上丰富而独特的矿产和能源能够为人类社会的可持续发展提供知识，是地球资源的重要补充和储备。我国的绕月探测工程被称为“嫦娥工程”，嫦娥号卫星的应用能够帮助我国获取月球表面三维的影像，分析其矿产能源的分布特征，探测地月的空间环境。假设嫦娥三号在开展探测活动时，在A点处悬停并在力的作用下降落，当其降落到原来的一般高度时，其运动速度为v，此时关闭发动机直接下落到月球表面。此环节中，需要分析从开始降落到接触月球表面的过程中机械能的变化，以保障嫦娥三号的安全性和稳定性，其计算流程为：基于万有引力定律和相关数据，获取接触月球表面时的速度V，再依据能量守恒定律对嫦娥三号降落过程中的能量转换进行计算分析，进而求出机械能的特征和规律。

3 结论

综上所述，现代社会的航空航天事业为人类从空中观察自然界提供了的条件，强化对物理学科知识的梳理和掌握，能够为航空航天知识的学习奠定的基础，提高对航空航天技术的掌握能力。

参考文献：

[1]熊梦飞.航天领域涉及的高中物理知识探究[J].科学咨询（教育科研），2018（02）：126.

[2]王冠斌.高中物理知识在航空航天方面应用浅谈[J].中国高新区，2018（08）：95.