浅析飞船变轨的物理原理

漆一骏

摘要：我国的航天事业起步晚，发展迅速，目前有些技术已位于世界前列。航天事业的发展对我国军事、经济、政治等领域意义重大。本文从物理的角度来论述飞船变轨的原理。

关键词：向心力;万有引力;飞船变轨;动能;势能;圆周运动

我國的航天事业起始于上世纪50年代。起步虽晚但发展迅速，目前我国已是航天大国。期间有一大批为航天事业奉献终生的科学家，如钱学森、任新民、陈芳允等人。钱学森先生的回国，更是推动了中国航天事业的发展。他也被成为“中国航天之父”。“两弹一星”让年轻的共和国挺起了脊梁。航天事业的发展还带动了周边科技的发展，“副产品”也非常丰厚，促进了科技向生产力的转化。最近，神舟系列火箭的发射，更是实现了人类探索太空的飞天梦想。为国防、经济、社会，做出了重大贡献。但是，我国航天事业在许多方面仍然不足，过度依赖国外技术，自主之路还有很长的路要走。飞船的变轨是航空航天事业中的一个技术环节。飞船运行中为了躲避“太空垃圾”、与空间站对接、延长使用寿命等，必须使用到变轨技术。飞船变轨有以下几个要点：

一、飞船绕地匀速圆周运动的原理

飞船在地面以高于7.9km/s的速度发射之后，经过一个升空和速度方向调整的过程，会逐渐进入一个圆周轨道。此后，飞船就沿圆周轨道绕地心做匀速圆周运动。在匀速圆周运动的时候飞船几乎可以无动力飞行，只会消耗很少的能量。其所受万有引力提供做匀速圆周运动的向心力。GMmr2=mv2r=mω2r=m4π2T2r。由此可知飞船的轨道半径越大，它的线速度、角速度越小，它的周期越大。已知万有引力常量G=6.67259×1011Nm2/kg2，地球质量为M=5.965×1024kg，地球半径为6371393米，如果飞船离地高度为10000千米，则可知飞船速度为v=4.9×103ms，离地高度为20000千米时，飞船速度为v=3.9×103ms。

二、飞船变轨的种类及其实现

（一）飞船由低轨道变到高轨道

飞船在较低轨道运行时，并非是理想的匀速圆周运动。会受到各种阻力，如果没有动力，飞船的线速度会逐渐减低，大约为每天降低100米每秒。随着线速度的逐渐降低，所需向心力逐渐减小，必然引起运行轨道的逐渐降低，最终要坠向地球，不过这个减少是一个缓慢的渐变过程。为了延长飞船的飞行时间，飞船要在外力作用下，变到较高的轨道。如果要变到较高的轨道，飞船需要点火加速。点火过程中，燃料被向后喷出，飞船受到一个向前的反冲作用力，在力的作用下，飞船加速。在反冲过程中火箭和燃料的系统动量守恒。飞船加速后，其所受万有引力不足以提供其圆周运动的向心力，飞船将做离心运动。飞船由较低轨道变向较高轨道。在此过程中由于点火，飞船的机械能增加。向外运动的过程中，飞船的引力势能增加，动能减少。最后飞船在较高的轨道匀速运行，此时的线速度小于低轨道的线速度。

（二）飞船由高轨变到低轨

由于要躲避障碍物或者要人工收回，在较高轨道运行的飞船，需要调整到较低轨道。人工收回飞船可以选择自然降轨，也可以选择点火减速降轨。自然降轨优点是不需要消耗大量的能量，缺点是降轨速度慢，时间长。人工降轨是在飞船飞行过程中向运动方向喷出燃气，由于反冲作用，飞船获得一个反向冲量，速度减小，所需向心力减小。此时万有引力大于飞船运行所需要的向心力，飞船不能继续做无动力的运输圆周运动，转而做近心运动，实现降轨。人工降轨的优点是降轨速度快，所需时间少，缺点是消耗能量比较多。降轨过程中飞船的动能增大，引力势能减少。根据不同情况，可以选择不同的降轨方式。

（三）霍曼转移轨道

费曼转移轨道是1925年由德国工程师奥尔特·霍曼提出。最大化的利用了引力的能量，在平面内经过两次加速，实现由低高度的匀速圆轨道，先进入椭圆轨道的最低点，然后在引力的作用下，进入椭圆变速轨道的最高点。然后，在椭圆变速轨道的最高点二次点火加速，使飞船由椭圆轨道进入外圆匀速圆轨道。费曼转移轨道是最节约能源的轨道，适合长期服役的卫星使用。但是霍曼转移轨道消耗时间比较长，飞船变轨一般不会采取这种变轨方式。

我们是社会主义接班人，科技强国的历史责任责无旁贷。作为一名高中生，努力学好科学文化知识，为将来报效祖国打下基础。只要齐心协力，一定能实现科技兴国，科技强国。

参考文献：

[1]彭子凌.飞船变轨的物理原理[J].中国高新区，2017（15）：96.

[2]李永乐.飞船喷气变轨时需要消耗多少能量[J].物理通报，2017（08）：4345.

[3]冯昊.航天器变轨和对接问题浅议[J].中国设备工程，2017（01）：134135.

[4]胡亦中.对天体运动中变轨问题的分析[J].物理教师，2014，35（02）：8689.