李維兵

(南通高等師范學(xué)校 江蘇 南通 226100)

2011年9月29日，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭將“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器發(fā)射升空.11月1日， “神舟八號(hào)”又成功發(fā)射.11月3日凌晨，“神舟八號(hào)” 與“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器實(shí)現(xiàn)空間交會(huì)對(duì)接(圖1)，形成組合體.成功對(duì)接標(biāo)志著中國(guó)繼美國(guó)、俄羅斯成為世界上第三個(gè)自主掌握并成功實(shí)施航天器空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國(guó)家.由于交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，涉及中學(xué)物理的天體運(yùn)動(dòng)中的變軌、追及等問(wèn)題，因此教師可以很好地引導(dǎo)學(xué)生來(lái)開(kāi)展一個(gè)與航天器交會(huì)對(duì)接的課題研究活動(dòng)，一方面對(duì)中學(xué)教材的補(bǔ)充，使學(xué)生掌握最新科技動(dòng)態(tài)；另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和愛(ài)好.課題研究如下.

圖1 兩航天器空間交會(huì)對(duì)接模擬圖

1 課題準(zhǔn)備

提前兩周將課題任務(wù)布置給學(xué)生，讓學(xué)生在課余時(shí)間利用廣播、電視、報(bào)刊、因特網(wǎng)等查找關(guān)于 “神舟八號(hào)”和“天宮一號(hào)”對(duì)接以及交會(huì)對(duì)接技術(shù)的相關(guān)資料，并思考如何運(yùn)用中學(xué)物理中的圓周運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律、宇宙速度等知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題.

2 課題探討

(1)教師通過(guò)視頻展示 “神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”交會(huì)對(duì)接的錄像并提出要探討的問(wèn)題.

1)了解空間交會(huì)對(duì)接；

2)“神舟八號(hào)”從發(fā)射后到對(duì)接成功，可分幾個(gè)階段；

3)“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”交會(huì)對(duì)接意義.

(2)學(xué)生分組按要求整理搜集到的資料

1)空間的兩個(gè)航天器在同一時(shí)刻以同樣的速度到達(dá)同一個(gè)地點(diǎn)的軌道控制過(guò)程及結(jié)果稱做軌道交會(huì).在空間將兩個(gè)航天器對(duì)接起來(lái)形成一個(gè)航天器稱做空間對(duì)接.

2)“神舟八號(hào)”從發(fā)射后到對(duì)接成功可分兩個(gè)階段.

首先是變軌階段.“神舟八號(hào)”從地面發(fā)射升空后，在地面指令引導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)5次變軌控制，飛抵“天宮一號(hào)”后下方約52 km處，轉(zhuǎn)入自主控制飛行狀態(tài)；再經(jīng)過(guò)4次自主變軌控制，抵達(dá)距“天宮一號(hào)”約5 km的對(duì)接入口點(diǎn).飛船暫停“腳步”，等待地面對(duì)兩航天器相對(duì)導(dǎo)航計(jì)算結(jié)果進(jìn)行確認(rèn).

其次是對(duì)接階段.“神舟八號(hào)”船載發(fā)動(dòng)機(jī)再次點(diǎn)火，繼續(xù)飛向“天宮一號(hào)”，在相對(duì)距離400 m停泊點(diǎn)，駐足約3 min，以0.5 m/s的相對(duì)速度接近“天宮一號(hào)”，進(jìn)入相對(duì)距離30 m停泊點(diǎn)，“神舟八號(hào)”以0.2 m/s的相對(duì)速度，向“天宮一號(hào)”緩緩靠攏.

3)“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”交會(huì)對(duì)接的意義主要體現(xiàn)在四個(gè)方面.一是為我國(guó)將來(lái)運(yùn)行的空間設(shè)施提供物資補(bǔ)給和人員運(yùn)輸服務(wù)作準(zhǔn)備；二是為我國(guó)將來(lái)的空間設(shè)施的建造和運(yùn)行服務(wù)作準(zhǔn)備；三是為將來(lái)進(jìn)行空間飛行器重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化作準(zhǔn)備；四是為我國(guó)將來(lái)載人登月和升空探測(cè)任務(wù)作準(zhǔn)備.因此，“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”成功對(duì)接是發(fā)展航天技術(shù)、增強(qiáng)人類探索和開(kāi)發(fā)太空資源能力的一項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù).

(3)全班交流、討論、歸納，教師適時(shí)引導(dǎo)、點(diǎn)撥.

3 課題應(yīng)用

教師通過(guò)幻燈片和講義展示，結(jié)合中學(xué)階段所學(xué)的知識(shí)，舉例來(lái)分析變軌和對(duì)接問(wèn)題.

(1)關(guān)于變軌過(guò)程中的問(wèn)題討論

【例1】若“天宮一號(hào)”能在離地面約300 km高的圓軌道上正常運(yùn)行， “神舟八號(hào)”從地面發(fā)射后，在對(duì)接前，經(jīng)過(guò)5次變軌控制，飛抵“天宮一號(hào)”后下方約52 km處，轉(zhuǎn)入自主控制飛行狀態(tài).再經(jīng)過(guò)4次自主變軌控制，抵達(dá)距“天宮一號(hào)”約5 km的對(duì)接入口點(diǎn).下面說(shuō)法中正確的是

A.“神舟八號(hào)”的發(fā)射速度應(yīng)大于第二宇宙速度

B.在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī),飛船暫?！澳_步”時(shí)，“神舟八號(hào)”的加速度小于“天宮一號(hào)”的加速度

C.在每次變軌的瞬間,“神舟八號(hào)”發(fā)動(dòng)機(jī)需點(diǎn)火加速

D.在每次變軌的瞬間,“神舟八號(hào)”發(fā)動(dòng)機(jī)需點(diǎn)火減速

(2)關(guān)于對(duì)接過(guò)程中的問(wèn)題討論

【例2】若對(duì)接前的某段時(shí)間內(nèi)，“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”已經(jīng)處在同一圓形軌道上順時(shí)針運(yùn)行，如圖2所示，則在“神舟八號(hào)”的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火追趕“天宮一號(hào)”，兩飛行器實(shí)現(xiàn)成功對(duì)接的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是

A.“神八”飛船和“天宮一號(hào)”的角速度相同

B.“神八”飛船比“天宮一號(hào)”的角速度大

C.對(duì)接過(guò)程中，“神八”飛船應(yīng)向運(yùn)動(dòng)的后上方噴氣以實(shí)現(xiàn)加速追趕同軌道的“天宮一號(hào)”

D.對(duì)接過(guò)程中，“神八”飛船應(yīng)向運(yùn)動(dòng)的后下方噴氣以實(shí)現(xiàn)加速追趕同軌道的“天宮一號(hào)”

圖2 兩航天器成功對(duì)接的示意圖

啟發(fā)學(xué)生分析：由題意可知，對(duì)接前的某段時(shí)間內(nèi)，兩船已經(jīng)處在同一圓形軌道(圖3).此時(shí)“神舟八號(hào)”的速度比“天宮一號(hào)”大.故“神舟八號(hào)”的角速度大.選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確.對(duì)接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的是同軌道加速，需要“神舟八號(hào)”的速度要比“天宮一號(hào)”大點(diǎn)，通過(guò)噴氣加速，使得切線方向有力，即F2=F切，由于“神舟八號(hào)”速度大了，所需的向心力就比萬(wàn)有引力大，為了使運(yùn)動(dòng)軌道不變，即此時(shí)噴氣使得在法線方向也有力，即F萬(wàn)+F1=F向.

圖3 航天器對(duì)接的受力分析

要使“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”對(duì)接成功，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力應(yīng)該如圖3所示，噴氣的方向應(yīng)該是F1和F2的合力F的反方向，所以“神舟八號(hào)”應(yīng)向運(yùn)動(dòng)的后上方噴氣以實(shí)現(xiàn)加速追趕同軌道的“天宮一號(hào)”.

4 課題跟蹤

帶著課題研究的熱情和興趣，繼續(xù)關(guān)注航天事業(yè)，“神舟八號(hào)”和“天宮一號(hào)”成功對(duì)接，意義十分重大.不久將迎來(lái)“神舟九號(hào)”的對(duì)接，和“神舟十號(hào)”的載人對(duì)接.今后的載人飛船發(fā)射時(shí)間間隔將大大縮短，目標(biāo)飛行器發(fā)射當(dāng)天就可以發(fā)射對(duì)接飛船，將更好、更快捷地服務(wù)于太空空間站建設(shè).同時(shí) “神八”成功對(duì)接，標(biāo)志中國(guó)人轉(zhuǎn)移到其他星球上居住和生活將不再是幻想，完全有能力開(kāi)發(fā)出更加美好的生活空間，來(lái)解決將來(lái)中國(guó)生活空間越來(lái)越擁擠的現(xiàn)狀.