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1、 第二章第二章 航天与力学航天与力学 自古以来,人类遥望广变而深途的星空,在感自古以来,人类遥望广变而深途的星空,在感叹宇宙深幻莫测的同时,企盼有朝一日能离开地叹宇宙深幻莫测的同时,企盼有朝一日能离开地球,飞向星球。由此产生出许多美妙而动人的神球,飞向星球。由此产生出许多美妙而动人的神话,如我国古代话,如我国古代ok电子竞技隙鸨荚骆隙鸨荚隆,以及古希腊,以及古希腊“伊伊卡尔飞向太阳卡尔飞向太阳”等故事来。它寄托了人类对宇宙等故事来。它寄托了人类对宇宙的关注和向往,也表达了渴望能飞到其他星球的的关注和向往,也表达了渴望能飞到其他星球的心情。从我国明代万虎用心情。从我国明代万虎用“飞龙飞龙”尝试飞天开始,
2、尝试飞天开始,人类为此作了不懈的努力。人类为此作了不懈的努力。 是哥白尼的是哥白尼的“日心说日心说”把人类从神学的枷锁中把人类从神学的枷锁中解放了出来。牛顿的解放了出来。牛顿的“万有引力定律万有引力定律”不仅揭示不仅揭示了宇宙间万物所遵循的引力规律,还把了宇宙间万物所遵循的引力规律,还把“天上天上”与与“人间人间”和谐地统一了起来。由伽利略、牛顿和谐地统一了起来。由伽利略、牛顿等建立的等建立的经典力学,以及尔后建立的电磁学、光学和热学经典力学,以及尔后建立的电磁学、光学和热学等,使物理学形成一门完整的学科。直到本世纪等,使物理学形成一门完整的学科。直到本世纪初,随着物理学所取得的极大成功,带动
3、了整个初,随着物理学所取得的极大成功,带动了整个科学技术的蓬勃发展,高新技术如雨后春笋般不科学技术的蓬勃发展,高新技术如雨后春笋般不断涌现。断涌现。50年代开始兴起的航天技术就是一棵在年代开始兴起的航天技术就是一棵在物理学丰润土壤里滋生出来的高科技新苗。正是物理学丰润土壤里滋生出来的高科技新苗。正是它使人类飞向宇宙的这一梦想得以实现。人造卫它使人类飞向宇宙的这一梦想得以实现。人造卫星的上天,载人航天器的发射,人类首次登月的星的上天,载人航天器的发射,人类首次登月的成功成功一个个激动人心时刻的到来,把人类航一个个激动人心时刻的到来,把人类航天活动推向高潮。到目前为止,共发射了数干颗天活动推向高潮
4、。到目前为止,共发射了数干颗不同类型的航天器,这些航天器发挥了各自不同不同类型的航天器,这些航天器发挥了各自不同的作用,造福于人类。一些肩负着探索宇宙使命的作用,造福于人类。一些肩负着探索宇宙使命的探测器已造访了除冥王星以外的太阳系所有的的探测器已造访了除冥王星以外的太阳系所有的行星,有的已开始远离太阳系,进入茫茫的宇宙。行星,有的已开始远离太阳系,进入茫茫的宇宙。 本章着重结合航天技术来阐明基本力学原理:本章着重结合航天技术来阐明基本力学原理:万有引力定律、火箭推进原理与动量守恒定律、万有引力定律、火箭推进原理与动量守恒定律、三个宇宙速度与能量守恒定律、航天器在轨道上三个宇宙速度与能量守恒定
5、律、航天器在轨道上的运动与角动量守恒定律,以及航天飞行中的失的运动与角动量守恒定律,以及航天飞行中的失重原理等。同时,还穿插阐述人类航天活动的历重原理等。同时,还穿插阐述人类航天活动的历史过程和航天技术的发展概况、人造卫星的发射史过程和航天技术的发展概况、人造卫星的发射和应用等。和应用等。 21 万有引力定律的发现万有引力定律的发现 中国是最早发明火箭的国家,早在北宋后期,中国是最早发明火箭的国家,早在北宋后期,民间流行的能升空的烟火,已利用了火药燃气的民间流行的能升空的烟火,已利用了火药燃气的反作用力。到反作用力。到14世纪末,我国明朝一位专门设计世纪末,我国明朝一位专门设计兵器的官员万虎就
6、作过首次升空的尝试。他在一兵器的官员万虎就作过首次升空的尝试。他在一把椅子的背后装上把椅子的背后装上47牧用火药制成的大火箭,让牧用火药制成的大火箭,让人把自己捆在椅子上,并两手各持一大风筝,试人把自己捆在椅子上,并两手各持一大风筝,试图借助火箭的推力和风筝的升力飞天,当火箭被图借助火箭的推力和风筝的升力飞天,当火箭被点燃喷火后,这只被称为点燃喷火后,这只被称为“飞龙飞龙”的座椅一下冲的座椅一下冲出山头,并急速上升,但没过多久,当火光消散出山头,并急速上升,但没过多久,当火光消散后,飞龙突然下坠,并撞毁于山脚之下。万虎的后,飞龙突然下坠,并撞毁于山脚之下。万虎的尝试虽以失败告终,但他以自己的鲜
7、血和生命,尝试虽以失败告终,但他以自己的鲜血和生命,勇敢和智慧,宣告了人类航天活动的开始,并激勇敢和智慧,宣告了人类航天活动的开始,并激励励后人去进行新的尝试。后人去进行新的尝试。 为了纪念这位航天先驱,在为了纪念这位航天先驱,在20世纪世纪60年代,国年代,国际天文联合会以际天文联合会以“万虎山万虎山”来命名月球上的一座来命名月球上的一座环形山,以表彰他对航天事业作出的贡献。环形山,以表彰他对航天事业作出的贡献。 以后世界各国进行了各种人类升空尝试,如以后世界各国进行了各种人类升空尝试,如 18世纪盛行于欧洲的热气球升空活动等,最终都不世纪盛行于欧洲的热气球升空活动等,最终都不能飞离地球而回
8、落到地面上。为什么人类离开地能飞离地球而回落到地面上。为什么人类离开地球如此困难?是什么原因把万物牢牢束缚在地球球如此困难?是什么原因把万物牢牢束缚在地球上呢?这个千百年来一直索绕于人们心头的疑团,上呢?这个千百年来一直索绕于人们心头的疑团,直到牛顿发现万有引力以后才被解开。直到牛顿发现万有引力以后才被解开。 一、牛顿生平一、牛顿生平 牛顿在物理学史上另一位巨人牛顿在物理学史上另一位巨人伽利略逝世那年(伽利略逝世那年(1642年)诞生年)诞生于英国东南部伍尔索普,小时学于英国东南部伍尔索普,小时学习成绩平平,但对问题爱刨根问习成绩平平,但对问题爱刨根问底。大学期间,学习勤奋,并表底。大学期间,
9、学习勤奋,并表现出极高的数学天赋。现出极高的数学天赋。22岁毕业岁毕业时,他对数学和哲学的爱好,已到了痴迷的程度。时,他对数学和哲学的爱好,已到了痴迷的程度。当年六月到次年,学校因欧洲鼠疫大流行被迫停当年六月到次年,学校因欧洲鼠疫大流行被迫停课,他回家乡住了近课,他回家乡住了近20个月,清静的生活使他有个月,清静的生活使他有了充分思考问题的环境和时间,成了他一生中创了充分思考问题的环境和时间,成了他一生中创造力最旺盛的时期,万有引力定律以及微积分等造力最旺盛的时期,万有引力定律以及微积分等重要思想在这一时期都已开始酝酿。重要思想在这一时期都已开始酝酿。42岁时,牛顿再次研究以前曾深探过的引力理
10、论,岁时,牛顿再次研究以前曾深探过的引力理论,结果大获成功,发现了万有引力定律,并于结果大获成功,发现了万有引力定律,并于3年后年后出kok电子竞技了他不朽的传世之作出kok电子竞技了他不朽的传世之作自然哲学的数学原自然哲学的数学原理理。该书除介绍万有引力定律外,还阐述了他。该书除介绍万有引力定律外,还阐述了他综合他人成果和自己研究所得出的综合他人成果和自己研究所得出的“物体运动三物体运动三定律定律”,以及动量守恒定律等力学规律,从而使,以及动量守恒定律等力学规律,从而使经典力学的框架基本形成。这是人类自然认识的经典力学的框架基本形成。这是人类自然认识的第一次大综合和大飞跃。第一次大综合和大飞跃。 牛顿对自己的成功有
11、看清醒的认识。他在一封牛顿对自己的成功有看清醒的认识。他在一封信中与道:信中与道:“如果说我比其他人看得远一点的话,如果说我比其他人看得远一点的话,那是因为我站在巨人们的肩上那是因为我站在巨人们的肩上”。临终时,在他。临终时,在他的遗言中有这样一段话:的遗言中有这样一段话:“我不知道世人将如何我不知道世人将如何看待我,但是在我看来,我不过是在海滨玩耍的看待我,但是在我看来,我不过是在海滨玩耍的孩子,孩子,为时而发现一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳为时而发现一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳而感到高兴,但那浩瀚的真理之海洋,却还在我而感到高兴,但那浩瀚的真理之海洋,却还在我的面前未曾发现呢。的面前
12、未曾发现呢。” 二、月亮为什么不掉下来二、月亮为什么不掉下来 月亮为什么不掉下来?这个司空见惯的现象促月亮为什么不掉下来?这个司空见惯的现象促使牛顿最终发现了万有引力定律。使牛顿最终发现了万有引力定律。 为了解决这一问题,牛顿对地面附近物体的为了解决这一问题,牛顿对地面附近物体的下落与月亮的运动认直地作了一番下落与月亮的运动认直地作了一番比较。在高塔上如果向水平方向抛比较。在高塔上如果向水平方向抛出一块石子,它将会沿不断向下弯出一块石子,它将会沿不断向下弯的曲线运动,最后落在地面上。根的曲线运动,最后落在地面上。根据伽利略对平抛运动的研究可知,据伽利略对平抛运动的研究可知,抛体的运动可看成两个
13、各自独立的运动:沿抛体的运动可看成两个各自独立的运动:沿 水平水平方向的匀速运动和沿竖直方向的自由落体运动,方向的匀速运动和沿竖直方向的自由落体运动,其轨道是一条半抛物线。如果设其轨道是一条半抛物线。如果设x方向为水平方向,方向为水平方向,y 方向为竖直方向,如图方向为竖直方向,如图211所示,则在高为所示,则在高为h的塔上以初速的塔上以初速v0 水平抛出的物体,在落地前其位置水平抛出的物体,在落地前其位置x和和y、随时间、随时间t 的变化是:的变化是:其中重力加速度其中重力加速度g98米米秒秒。由此公式就可求得物体。由此公式就可求得物体的抛程的抛程L。例如,。例如, h = 80米,米,v0
14、 =20米秒,则由(米秒,则由(21-1)式可得石子落地的时)式可得石子落地的时间间 t4秒,而石子的抛程为秒,而石子的抛程为 L=v0 t=20 4=80(米)。如果石子的初速(米)。如果石子的初速V。增大一倍,则石子的。增大一倍,则石子的抛程也将增大一倍。抛程也将增大一倍。平抛的石子为什么会作这种抛物线运动呢?由伽平抛的石子为什么会作这种抛物线运动呢?由伽利略等所建立的惯性定律给了牛顿很大的启示。利略等所建立的惯性定律给了牛顿很大的启示。惯性定律指出:凡不受外力作用的物体将永远保惯性定律指出:凡不受外力作用的物体将永远保持其原来的运动速度(持其原来的运动速度(velocity)包括速度的大
15、)包括速度的大。ㄔ硕炻,即速率。ㄔ硕炻,即速率 speed)和速度的方向,)和速度的方向,如果它改变了运动速度,则必然有某种外来力的如果它改变了运动速度,则必然有某种外来力的作用。既然石块没有沿着抛出时初速作用。既然石块没有沿着抛出时初速V。的方向运。的方向运动,而是不断地弯向地面,这种外来力必然来自动,而是不断地弯向地面,这种外来力必然来自于地球,牛顿把这种外来力归结为地球的引力。于地球,牛顿把这种外来力归结为地球的引力。 那么,同样在地球旁的月亮为什么不掉向地球那么,同样在地球旁的月亮为什么不掉向地球呢?牛顿对石块的运动作进一步的设想:如果抛呢?牛顿对石块的运动作进一步的设想:如果
16、抛石块的力更大些,那石块就能抛得更远些,运动石块的力更大些,那石块就能抛得更远些,运动曲线向下弯的程度也小些。只要抛石块的力足够曲线向下弯的程度也小些。只要抛石块的力足够大,使石块运动曲线的曲率恰好与地球表面的曲大,使石块运动曲线的曲率恰好与地球表面的曲率相同,则石块就永远落不到地面上。图率相同,则石块就永远落不到地面上。图212为牛顿的抛体运动图。牛顿认为,月亮可以比作为牛顿的抛体运动图。牛顿认为,月亮可以比作一抛体,如果月亮没有受到地球引力的作用,则一抛体,如果月亮没有受到地球引力的作用,则应沿直线运动,正是由于地球引力的作用,使月应沿直线运动,正是由于地球引力的作用,使月亮离开直线、不断
17、偏向地球,其运动曲线的弯曲亮离开直线、不断偏向地球,其运动曲线的弯曲正好与地球表面的弯曲程度相同,因此月球永远正好与地球表面的弯曲程度相同,因此月球永远也掉不到地球上。图也掉不到地球上。图213为月亮在地球引力作为月亮在地球引力作用下运动示意图。虽然月亮的速率没有变,但它用下运动示意图。虽然月亮的速率没有变,但它的速度方向却不断改变,且每一瞬时的改变都指的速度方向却不断改变,且每一瞬时的改变都指向地球的中心。直至牛顿发明了微积分后才能精向地球的中心。直至牛顿发明了微积分后才能精确地用确地用“向心加速度向心加速度”来表示这种速度随时间的来表示这种速度随时间的变化率。变化率。 三、万有引力定律的建
18、立三、万有引力定律的建立 月亮绕地球的运转是由于地球引力作用的结果,月亮绕地球的运转是由于地球引力作用的结果,而行星绕太阳的运转与月亮的运动十分相似,那而行星绕太阳的运转与月亮的运动十分相似,那么行星也必定受到太阳的引力作用。这使牛顿么行星也必定受到太阳的引力作用。这使牛顿领悟到宇宙间任何物体间都有引力作用。领悟到宇宙间任何物体间都有引力作用。 这种引力的大小与两物体间的距离成何种关系这种引力的大小与两物体间的距离成何种关系呢?牛顿把引力与开普勒定律联系起来考虑。开呢?牛顿把引力与开普勒定律联系起来考虑。开普勒定律是描述行星绕太阳运动规律的三条定律,普勒定律是描述行星绕太阳运动规律的三条定律,
19、其内容已在第一章中作了介绍,然而开普勒定律其内容已在第一章中作了介绍,然而开普勒定律并没有回答行星为什么这样运动。经过仔细研究并没有回答行星为什么这样运动。经过仔细研究之后,牛顿认为,行星的运动可以用由英国物理之后,牛顿认为,行星的运动可以用由英国物理学家胡克(学家胡克(RHooke,16351703)等人提出的)等人提出的其大小与距离平方成反比的引力来解释。其论证其大小与距离平方成反比的引力来解释。其论证如下:如下: 如果把行星运动简化成绕太阳作匀速圆周运动,如果把行星运动简化成绕太阳作匀速圆周运动,那么以速率那么以速率V在半径为在半径为R的圆周上运动的行星,的圆周上运动的行星,必定受到一个
20、向心力必定受到一个向心力F的作用,此力产生的向心加的作用,此力产生的向心加速度速度a应由牛顿第二定律应由牛顿第二定律F=ma决定,决定,F还不清楚,还不清楚,但是已知但是已知T为行星运动的周期,于是,两个行星的为行星运动的周期,于是,两个行星的向心加速度之比为:向心加速度之比为:按开普勒第三定律,行星绕太阳运动的周期的平按开普勒第三定律,行星绕太阳运动的周期的平方与它到太阳距离的立方成正比,即方与它到太阳距离的立方成正比,即 上式表明,向心加速度的大小与距离的平方成反上式表明,向心加速度的大小与距离的平方成反比。因此,由比。因此,由F=ma可知,引力可知,引力F是一种与距离平是一种与距离平方成
21、反比的力。牛顿后来又证明,以上结论对椭方成反比的力。牛顿后来又证明,以上结论对椭圆轨道也同样适用。圆轨道也同样适用。 牛顿阐明了引力与距离的关系后,进而研究与牛顿阐明了引力与距离的关系后,进而研究与质量的关系。他从地球上任何物体,不论其轻重,质量的关系。他从地球上任何物体,不论其轻重,都都以同样的加速度下落这个事实出发,并运用他的以同样的加速度下落这个事实出发,并运用他的第二定律,得出地球对物体的引力应与物体的质第二定律,得出地球对物体的引力应与物体的质量成正比。然后,又运用他的第三定律,可知物量成正比。然后,又运用他的第三定律,可知物体对地球的引力应与地球对物体的引力相等。因体对地球的引力应
22、与地球对物体的引力相等。因此,此引力也应与地球的质量成正比。由此推断,此,此引力也应与地球的质量成正比。由此推断,任何两天体(也包括物体)间的引力大小与这两任何两天体(也包括物体)间的引力大小与这两个天体的质量乘积成正比,与两天体的距离平方个天体的质量乘积成正比,与两天体的距离平方成反比,这就是著名的万有引力定律,可表示为成反比,这就是著名的万有引力定律,可表示为 式中式中m1,m。分别为两天体的质量;。分别为两天体的质量;R为两者之间为两者之间的距离;的距离;G为引力常数,直到为引力常数,直到100多年后,才由多年后,才由英国物理学家卡文迪许在英国物理学家卡文迪许在1798年测定,现在的公年
23、测定,现在的公认值为认值为 G = 6 672 6 10 -11牛顿牛顿米米2千克千克2 牛顿的万有引力定律,深刻地揭示了宇宙万物牛顿的万有引力定律,深刻地揭示了宇宙万物间所遵循的引力规律,打破了以前人们头脑中认间所遵循的引力规律,打破了以前人们头脑中认为天体运动与地上物体运动有着天壤之别的鸿沟,为天体运动与地上物体运动有着天壤之别的鸿沟,把天上和人间和谐地统一了起来。把天上和人间和谐地统一了起来。 四、海王星的发现四、海王星的发现 万有引力定律建立后,经历了几次重大的考验万有引力定律建立后,经历了几次重大的考验,如准确地预言了慧星的出现等,从而建立了它的如准确地预言了慧星的出现等,从而建立了
24、它的权威。然而,在解释天王星的运动时却遇到了空权威。然而,在解释天王星的运动时却遇到了空前的危机。前的危机。 自从自从1781年英国的赫歇耳(年英国的赫歇耳(FWHerschel,17381822)发现了天王星以后,经过几十年的)发现了天王星以后,经过几十年的观测,已积累了较丰富的天王星观测,已积累了较丰富的天王星“行踪行踪”资料。资料。在这期间,在万有引力定律基础上建立起来的引在这期间,在万有引力定律基础上建立起来的引力理论,已能较好地解释由行星间的相互引力作力理论,已能较好地解释由行星间的相互引力作用造成的行星运动偏离椭圆轨道的所谓摄动现象,用造成的行星运动偏离椭圆轨道的所谓摄动现象,如木
25、星、土星等行星的运动,理论计算与观测资如木星、土星等行星的运动,理论计算与观测资料完全吻合,唯独天王星总是对不上号,新的观料完全吻合,唯独天王星总是对不上号,新的观测资料表明天王星的运动与理论计算的误差与原测资料表明天王星的运动与理论计算的误差与原有观测资料相比是有增无减。于是,有人对万有有观测资料相比是有增无减。于是,有人对万有引力定律的权威产生了怀疑,如果它不能用来解引力定律的权威产生了怀疑,如果它不能用来解释天王星的运动,岂可称为宇宙间的普遍规律?释天王星的运动,岂可称为宇宙间的普遍规律? 然而,有不少学者并不轻易动摇。他们大胆设想,然而,有不少学者并不轻易动摇。他们大胆设想,既然原先认
26、为土星是太阳系的边界,后来被新发既然原先认为土星是太阳系的边界,后来被新发现的天王星所突破,那么天王星也未必是最后的现的天王星所突破,那么天王星也未必是最后的边界,在天王星的外面可能还有一颗未知行星,边界,在天王星的外面可能还有一颗未知行星,由于它的引力作用,使天王星受到摄动而偏离了由于它的引力作用,使天王星受到摄动而偏离了应有的轨道。但要根据天王星的运动轨道,通过应有的轨道。但要根据天王星的运动轨道,通过计算来寻找这颗未知行星的位置包括它的质量,计算来寻找这颗未知行星的位置包括它的质量,实在是太难了,当时几乎无人敢问津。只有两位实在是太难了,当时几乎无人敢问津。只有两位年轻人:英国的亚当斯(
27、年轻人:英国的亚当斯(J Adams)和法国的勒)和法国的勒维烈(维烈(J. Le Verrier, 18111877)分别勇敢地承)分别勇敢地承担起了这项工作,经过无数次的失败之后,他俩担起了这项工作,经过无数次的失败之后,他俩都完成了这项艰苦的工作。都完成了这项艰苦的工作。 亚当斯几乎早勒维烈一年(亚当斯几乎早勒维烈一年(1845年)计算出未年)计算出未知行星的轨道和质量,当他把研究成果送交知行星的轨道和质量,当他把研究成果送交格林威治天文台天文学家爱勒时,竟遭冷遇,拖格林威治天文台天文学家爱勒时,竟遭冷遇,拖了九个月才开始寻找,且不认真,最后还是让新了九个月才开始寻找,且不认真,最后还是
28、让新行星从他们的望远镜视场中溜掉。而勒维烈却幸行星从他们的望远镜视场中溜掉。而勒维烈却幸运得多,由于巴黎没有详细的星图,因此勒维烈运得多,由于巴黎没有详细的星图,因此勒维烈把自己计算的结果写信给柏林天文台的天文学家把自己计算的结果写信给柏林天文台的天文学家伽勒(伽勒(J Galle)伽勒很快就于)伽勒很快就于1846年年9月月 18日复日复信给勒维烈,并高兴地宣布:信给勒维烈,并高兴地宣布: “先生,你给我先生,你给我们指出位置的新行星是真实存在的。们指出位置的新行星是真实存在的。” 当勒维当勒维烈接到信时,真是惊喜交加,消息一经传出,全烈接到信时,真是惊喜交加,消息一经传出,全球为之轰动。新
29、行星被命名为海王星。这个被誉球为之轰动。新行星被命名为海王星。这个被誉为为“笔尖上的发现笔尖上的发现”不仅揭开了天王星不仅揭开了天王星“越轨越轨”之谜,也宣告了牛顿引力理论的彻底胜利。后来,之谜,也宣告了牛顿引力理论的彻底胜利。后来,美国天文学家洛威耳(美国天文学家洛威耳(PLowed)和皮克林)和皮克林(WPickering)根据)根据类似的计算,预言海王星之外还有一。颗新行星,类似的计算,预言海王星之外还有一。颗新行星,直到直到193O年才由汤博(年才由汤博(CTombaugh)在照片中)在照片中发现,命名为冥王星,这就是太阳系的第九颗行发现,命名为冥王星,这就是太阳系的第九颗行星星.22
30、 宇宙速度与动量及机械能守恒宇宙速度与动量及机械能守恒 历史上最早的火箭是中国发明的。早在唐代就历史上最早的火箭是中国发明的。早在唐代就发明了火药,南宋周密所著发明了火药,南宋周密所著武林旧事武林旧事中记载:中记载:“烟火起轮,走线流星烟火起轮,走线流星”。此处。此处“流星流星”,指一,指一种烟火玩物,即火箭。到元明期间就出现了用火种烟火玩物,即火箭。到元明期间就出现了用火药推进的箭,用作攻击性武器。后来火药和火箭药推进的箭,用作攻击性武器。后来火药和火箭技术由中国传到欧洲,逐渐发展出近代的火箭。技术由中国传到欧洲,逐渐发展出近代的火箭。 在在1903年,俄国科学家齐奥尔科夫斯基年,俄国科学家
31、齐奥尔科夫斯基(18571935)发表了)发表了利用喷气工具研究宇宙空间利用喷气工具研究宇宙空间等等论文,提出了利用火箭向后喷气产生的反作用而论文,提出了利用火箭向后喷气产生的反作用而运动并飞向宇宙的思想,建立了著名的齐奥尔科运动并飞向宇宙的思想,建立了著名的齐奥尔科夫斯基公式夫斯基公式, 为现代航天技术奠定了理论基础。那为现代航天技术奠定了理论基础。那么,火箭为何能升天?又为何能在太空中加速呢?么,火箭为何能升天?又为何能在太空中加速呢?一、火箭推进原理与动量守恒定律一、火箭推进原理与动量守恒定律 1动量守恒定律动量守恒定律 假设有两个质量分别为假设有两个质量分别为m1和和m2的宇航员,处在
32、的宇航员,处在不受任何其他物体作用的太空中。如果他们互相不受任何其他物体作用的太空中。如果他们互相推一下,情况将如何呢?根据牛顿第三定律,分推一下,情况将如何呢?根据牛顿第三定律,分别作用在两人身上的互推力必定大小相等而方向别作用在两人身上的互推力必定大小相等而方向相反相反(见图(见图2.2-1),),即即 F1 = F2两人因受推力而获得的加速度分别为两人因受推力而获得的加速度分别为 设两人互推的时间为主,且推力为恒力,则两人设两人互推的时间为主,且推力为恒力,则两人相互脱离接触时的速度分别为相互脱离接触时的速度分别为 由于由于 F1 = F2 , 可得可得 m1v1 = m2v2 或或 P
33、1 = P2上式表明互推后两人将以相同大小的动量(上式表明互推后两人将以相同大小的动量(P=mv)沿相反方向退离原处,质量较大的宇航员将以较沿相反方向退离原处,质量较大的宇航员将以较小速度运动,而质量较小的宇航员则以较大速度小速度运动,而质量较小的宇航员则以较大速度运动。由上式可得互推结束后的总动量为运动。由上式可得互推结束后的总动量为 PlP2 = mlv1 m2v2 = 0由于在互推前两人的总动量也为零,因此由上式由于在互推前两人的总动量也为零,因此由上式可知:相互作用前后两人总动量保持不变,可表可知:相互作用前后两人总动量保持不变,可表示为示为 P总前 = P总后上式表明了物理学中一个重
34、要的守恒定律一动量上式表明了物理学中一个重要的守恒定律一动量守恒定律,可以表述为:对于任何不受外力作用守恒定律,可以表述为:对于任何不受外力作用的系统,其总动量保持不变。的系统,其总动量保持不变。2火箭推进原理火箭推进原理 根据动量守恒定律,当一个系统向后高速射出根据动量守恒定律,当一个系统向后高速射出一个小物体时,该系统就会获得与小物体相同大一个小物体时,该系统就会获得与小物体相同大小、但方向相反的动量,即系统会获得向前的速小、但方向相反的动量,即系统会获得向前的速度。如果系统不断向后射出小物体,则系统就会度。如果系统不断向后射出小物体,则系统就会不断向前加速。火箭就是利用此动量守恒原理不不
35、断向前加速。火箭就是利用此动量守恒原理不断推进的。在火箭内装置了大量的燃料,燃料烧断推进的。在火箭内装置了大量的燃料,燃料烧后会产生高温高压的气体,通过火箭的尾部不断后会产生高温高压的气体,通过火箭的尾部不断向后高速喷出,从而使火箭不断向前加速。向后高速喷出,从而使火箭不断向前加速。 为了进一步说明火箭推进的原理,先不考虑地为了进一步说明火箭推进的原理,先不考虑地球的重力作用,并将质量为球的重力作用,并将质量为M的火箭中的燃料燃烧的火箭中的燃料燃烧后喷出的燃料气体,看成是许多质量均为后喷出的燃料气体,看成是许多质量均为m(mM)、相对火箭速度为)、相对火箭速度为 u 的细小弹丸,如的细小弹丸,
36、如图图222所示。由于火箭不受到任何外力,因此所示。由于火箭不受到任何外力,因此火箭系统总动量守恒。设想当第一颗弹丸以速度火箭系统总动量守恒。设想当第一颗弹丸以速度u向后喷出时,火箭就获得与弹丸等量而方向向前向后喷出时,火箭就获得与弹丸等量而方向向前的动量,设此时火箭获得的速度为的动量,设此时火箭获得的速度为V1,则由,则由MV1m u,可得,可得V1 mu/M。以后每喷出一颗弹丸,。以后每喷出一颗弹丸,火箭就会获得一个速度增量火箭就会获得一个速度增量mu/M。一颗颗弹丸断。一颗颗弹丸断续地喷出,使火箭速度的增加将呈跳跃式的,但续地喷出,使火箭速度的增加将呈跳跃式的,但实际上火箭是连续不断喷出
37、大量质量实际上火箭是连续不断喷出大量质量m极小的燃料极小的燃料气体,使火箭得以连续平稳地加速。气体,使火箭得以连续平稳地加速。随着燃料的不断消耗,火箭的质量随着燃料的不断消耗,火箭的质量M越来越。蛟嚼丛叫。虼伺缟湎嗤柿康娜剂掀,火箭获得的速度增量此喷射相同质量的燃料气体,火箭获得的速度增量也将越来越大。设火箭最初的质量为也将越来越大。设火箭最初的质量为Mi燃料烧完后燃料烧完后的火箭质量为的火箭质量为Mf ,喷射的燃料气体相对于火箭的速,喷射的燃料气体相对于火箭的速度为度为u,则火箭最后获得的速度,则火箭最后获得的速度Vf 为为 这就是著名的齐奥尔科夫斯基公式(具体推导参见这就是著名的
38、齐奥尔科夫斯基公式(具体推导参见附录附录2A)。)。 如果在地球表面垂直发射火箭,则火箭在加速过如果在地球表面垂直发射火箭,则火箭在加速过程中还要受到地球引力和空气阻力的作用,虽然这程中还要受到地球引力和空气阻力的作用,虽然这些力与由于燃料喷射而获得的巨大推力相比极。┝τ胗捎谌剂吓缟涠竦玫木薮笸屏ο啾燃。渴睾闳越瞥闪,但火箭最后获得的速度要动量守恒仍近似成立,但火箭最后获得的速度要比(比(223)式中的值略。从幸λ鹗Ш妥瑁┦街械闹德孕。从幸λ鹗Ш妥枇λ鹗。力损失。3火箭推力火箭推力 运载火箭推力是火箭设计中的一个重要指标,运载火箭推力是火箭设计中的一个重要指标,当燃料气
39、体从火箭尾部喷出时,将对火箭产生一当燃料气体从火箭尾部喷出时,将对火箭产生一个推力使其升空,此推力的大。瓶捎上率礁鐾屏κ蛊渖,此推力的大。瓶捎上率郊扑悖ㄍ频技铰技扑悖ㄍ频技铰2.A):): F = u m/t其中其中 m/t是单位时间(每秒)所喷出的燃料气是单位时间(每秒)所喷出的燃料气体的质量。例如,喷射速度体的质量。例如,喷射速度u = 2千米秒,每秒千米秒,每秒喷出的气体质量为喷出的气体质量为1000千克,则可得推力千克,则可得推力F=2 106牛顿牛顿200吨。如我国的风云二号气象卫星是吨。如我国的风云二号气象卫星是由长征三号运载火箭发射升空。此火箭共有三节,由长征三
40、号运载火箭发射升空。此火箭共有三节,全长全长43.25米,起飞推力达米,起飞推力达280吨。吨。 二、机械能守恒定律二、机械能守恒定律 我们先介绍物理学中另一个重要的守恒定律我们先介绍物理学中另一个重要的守恒定律机械能守恒定律,说明地球引力范围机械能守恒定律,说明地球引力范围引力引力。ü赜诔。ü赜凇俺〕 钡母拍,将在下一章以后逐步熟的概念,将在下一章以后逐步熟悉)中势能的算法,然后依次计算为使航天器升悉)中势能的算法,然后依次计算为使航天器升空、脱离地球或飞离太阳系所需要的最小速度空、脱离地球或飞离太阳系所需要的最小速度三个宇宙速度。三个宇宙速度。 如果在地面上将质量为如果在地面上将质量为m
41、的小球以的小球以V0的初速向上的初速向上抛出,小球作加速度抛出,小球作加速度a= g的上抛运动,它能上升的上抛运动,它能上升的最大高度的最大高度h= V02/2g 。 在地面处,其机械能表现在地面处,其机械能表现为动能为动能E1 = mV02/2,在最高处,其机械能表现为势,在最高处,其机械能表现为势能能 E2 = mgh(以地面处为势能零点),将(以地面处为势能零点),将h= V02/2g 代人,代人, E2 = mgh=mg V02/2g = mV02/2,即,即 E1 = E2上式表明了机械能守恒定律,可表述为:如果一上式表明了机械能守恒定律,可表述为:如果一个系统在外力不做功的情况下,
42、加上其内部又没个系统在外力不做功的情况下,加上其内部又没有像摩擦力这类会消耗能量的力做功,或出现像有像摩擦力这类会消耗能量的力做功,或出现像燃烧之类从化学能转化过来的能量的话,则系统燃烧之类从化学能转化过来的能量的话,则系统的机械能守恒。的机械能守恒。 注意:上述机械能守恒定律对于火箭加喷出注意:上述机械能守恒定律对于火箭加喷出气体所组成的系统并不成立,必须加上从燃烧中气体所组成的系统并不成立,必须加上从燃烧中转化过来的化学能,才满足更广意义下的能量守转化过来的化学能,才满足更广意义下的能量守恒定律。恒定律。 另外,航天器离地面很远后,它与地球组成一另外,航天器离地面很远后,它与地球组成一个系
43、统,其势能个系统,其势能Ep应该用公式应该用公式 来计算,其中来计算,其中Me是地球质量,是地球质量,r是航天器是航天器m离地心离地心的距离。在(的距离。在(225)式中,我们是选取了无穷)式中,我们是选取了无穷远(远(r)点作势能计算的零点。当)点作势能计算的零点。当r =Re十十h,而,而离地面高度离地面高度hRe(地球半径)时,因(地球半径)时,因代人(代人(225)式得)式得 其中其中 以以 Me= 5 9741024千克、千克、 R0= 6.378 106米代米代入,可得入,可得 g = 9.8米秒,这正是地球表面处的重米秒,这正是地球表面处的重力加速度。(力加速度。( 2 26a)
44、式中第二项正是我们熟)式中第二项正是我们熟悉的地面附近重力场中的势能;第一项是常数,悉的地面附近重力场中的势能;第一项是常数,可以弃去不管,这是因为势能是一个相对的概念,可以弃去不管,这是因为势能是一个相对的概念,有意义的是势能之差。于是在地球表面附近的势有意义的是势能之差。于是在地球表面附近的势能近似为能近似为 Ep mgh (2 26b) 在上式中,势能零点是取在地球表面。在上式中,势能零点是取在地球表面。 记航天器在燃料烧完后的速度为记航天器在燃料烧完后的速度为V,动能为,动能为 这时它离地面的高度仍远小于地球半径这时它离地面的高度仍远小于地球半径Re,所以,所以它的势能(它的势能(22
45、5)式中的)式中的 r 可近似地取为可近似地取为Re。在航天器飞离地球即在航天器飞离地球即 r 增大的过程中,机械能守恒增大的过程中,机械能守恒定律表示为定律表示为 右端表示:随着右端表示:随着 r Re,势能增大,动能便减。颇茉龃,动能便减。春教炱魉俣燃春教炱魉俣 v(r)作为)作为 r 的函数会不断减小。的函数会不断减小。下面将根据不同要求来讨论对下面将根据不同要求来讨论对V的要求,即三个宇的要求,即三个宇宙速度。宙速度。 三、三个宇宙速度三、三个宇宙速度 1第一宇宙速度第一宇宙速度 在地面上发射一航天器,使之能沿绕地球的圆在地面上发射一航天器,使之能沿绕地球的圆轨道运行所需的最小
46、发射速度,称为第一宇宙速轨道运行所需的最小发射速度,称为第一宇宙速度。度。 当质量当质量m的航天器在距地球球心为的航天器在距地球球心为r的圆轨道上的圆轨道上以速度以速度v运行时,其圆周运动的向心力就是地球对运行时,其圆周运动的向心力就是地球对它的万有引力。由(它的万有引力。由(2l6)式,得)式,得 由上式可得由上式可得 (229)因此,航天器的动能因此,航天器的动能Ek=mv2/2=Gmem/2r,航天器航天器和地球系统的势和地球系统的势 能能E p= - Gmem/r 则其机械能为则其机械能为由机械能守恒(由机械能守恒(228)式,可得发射时的动能)式,可得发射时的动能为为 (2.2-10
47、) 可见航天器要升得越高,即可见航天器要升得越高,即 r 越大,所需初始越大,所需初始动能也越大。动能也越大。 与发射时最小能量对应的是在地球表面附近与发射时最小能量对应的是在地球表面附近(大气层外)的轨道,其半径(大气层外)的轨道,其半径 r近似等于地球半径近似等于地球半径Re,故由(,故由(2210)式直接得到第一宇宙速度)式直接得到第一宇宙速度V;为为2第二宇宙速度第二宇宙速度 在地面上发射一航天器,使之能脱离地球的引在地面上发射一航天器,使之能脱离地球的引力场所需的最小发射速度,称为第二宇宙速度。力场所需的最小发射速度,称为第二宇宙速度。 一个航天器在它的燃料烧完后逃离地球的过程一个航
48、天器在它的燃料烧完后逃离地球的过程中,该系统符合机械能守恒的条件。由此即可求中,该系统符合机械能守恒的条件。由此即可求得第二宇宙速度得第二宇宙速度V2。设航天器在燃料烧完后的动。设航天器在燃料烧完后的动能能Ek = mV22/2。然后继续飞行,直到脱离地球引力。然后继续飞行,直到脱离地球引力。耸笔颇艹。耸笔颇蹺p = 0。再设动能。再设动能Ek =0(对应最。ǘ杂ψ钚〉姆⑸渌俣龋,故的发射速度),故(千米秒)(千米秒) ( 2.211)由(由(228)式,有)式,有所以第二宇宙速度为所以第二宇宙速度为 (2.212) 人类要登上月球,或要飞向其他行星,首先必人类要登上月球,或要飞向其他
49、行星,首先必须要脱离地球的引力。虼,所乘坐航天器的须要脱离地球的引力。虼,所乘坐航天器的发射速度必须大于第二宇宙速度。发射速度必须大于第二宇宙速度。 3第三宇宙速度第三宇宙速度 在地球表面发射一航天器,使之不但要脱离地在地球表面发射一航天器,使之不但要脱离地球的引力。挂牙胩舻囊Τ∷璧淖钚∏虻囊Τ。挂牙胩舻囊Τ∷璧淖钚》⑸渌俣,称为第三宇宙速度。发射速度,称为第三宇宙速度。 太阳引力场比地球引力场强得多,因此一个脱太阳引力场比地球引力场强得多,因此一个脱离了地球引力场的航天器,还应有足够大的相对离了地球引力场的航天器,还应有足够大的相对太阳的速度,才能逃离太阳引力
50、场。为此,我们太阳的速度,才能逃离太阳引力场。为此,我们先计算一个已远离地球但仍在地球公转轨道附近先计算一个已远离地球但仍在地球公转轨道附近运行的航天器(离太阳距离近似为地球公转轨道运行的航天器(离太阳距离近似为地球公转轨道半径半径Rse= 1496 1011米)所需的最小逃离速度米)所需的最小逃离速度V0。这与刚才计算的第二宇宙速度完全类似,只需在这与刚才计算的第二宇宙速度完全类似,只需在(2.212)式中以太阳质量)式中以太阳质量Ms=1989 1030干干克代替克代替Me,以,以Rse代替代替Re,即得,即得 (2.213) 其次,航天器在地球上发射时,应充分利用地其次,航天器在地球上发
51、射时,应充分利用地球绕太阳公转的轨道速度球绕太阳公转的轨道速度Ve。计算。计算Ve也很简单,也很简单,类似于卫星绕地球运转速度的计算,只需在公式类似于卫星绕地球运转速度的计算,只需在公式(2211)中将)中将M e改为改为M s,Re改为改为Rse即可,即可,于是得到于是得到 (2.214)如果航天器沿着地球轨道速度如果航天器沿着地球轨道速度Ve的方向发射,则的方向发射,则只要燃料烧完后获得的速度只要燃料烧完后获得的速度V3足够大,使它在脱足够大,使它在脱离地球引力场时,相对地球还余下速度离地球引力场时,相对地球还余下速度V0,且此,且此V0与与Ve之和即为逃离太阳系所需的速度之和即为逃离太阳
52、系所需的速度V0。于是。于是有有 V0= V0 Ve= 12.4(干米秒)(干米秒) 最后,最后,V3的计算则完全是一个在地球引力场中的计算则完全是一个在地球引力场中机械能守恒的问题了,可以直接用(机械能守恒的问题了,可以直接用(228)式,)式,把左端把左端V改成改成V3,右端,右端 r,v(r)改成)改成V0 ,即,即得得 (2.215)上式计算中已用了(上式计算中已用了(2. 212)式。)式。V3就是第三宇就是第三宇宙速度。地球上一个速度超过宙速度。地球上一个速度超过V3的航天器能够先的航天器能够先摆脱地球引力场、再摆脱太阳引力场的束缚,飞摆脱地球引力场、再摆脱太阳引力场的束缚,飞入茫
53、茫的宇宙。入茫茫的宇宙。 四、多级火箭四、多级火箭 由以上讨论可知,要把航天器发射上天,则由以上讨论可知,要把航天器发射上天,则火箭获得的速度至少要大于第一宇宙速度、若要火箭获得的速度至少要大于第一宇宙速度、若要使航天器离开地球到达其他行星或脱离太阳系到使航天器离开地球到达其他行星或脱离太阳系到其他星系,则火箭获得的速度应分别大于第二宇其他星系,则火箭获得的速度应分别大于第二宇宙速度和第三宇宙速度。那么,单级火箭能否达宙速度和第三宇宙速度。那么,单级火箭能否达到这些速度呢?到这些速度呢? 由(由(223)式知,要使火箭获得尽可能大的)式知,要使火箭获得尽可能大的速度速度Vf ,就必须尽可能大地
54、增大质量比,就必须尽可能大地增大质量比MiMf 的的值和燃料气体的喷射速度值和燃料气体的喷射速度u。但由于火箭上需装备。但由于火箭上需装备众多仪器设备,装燃料的容器也必须足够坚固,众多仪器设备,装燃料的容器也必须足够坚固,以承受燃料燃烧时所产生的高压,所以以承受燃料燃烧时所产生的高压,所以M f不可能不可能太。柿勘韧ǔT谔。柿勘韧ǔT1020之间,而燃料气体的之间,而燃料气体的喷射速度喷射速度u 也受到诸多因素的限制。一种液也受到诸多因素的限制。一种液 态的态的常规燃料是偏二甲肼加四氧化二氮,燃烧后气体常规燃料是偏二甲肼加四氧化二氮,燃烧后气体的的速度速度u接近接近2千米秒。若以非常规
55、燃料(如液氢千米秒。若以非常规燃料(如液氢加液氧)做推进剂,其喷射速度加液氧)做推进剂,其喷射速度u 可达可达4千米秒千米秒以上。为估计单级火箭所能达到的末速度,不妨以上。为估计单级火箭所能达到的末速度,不妨设质量比设质量比15,u 4千米秒,则由(千米秒,则由(2.23)式,)式, (干米秒)(干米秒)由于此式导出时未计入地球引力和空气摩擦阻力由于此式导出时未计入地球引力和空气摩擦阻力产生的影响,加上各种技术原因,单级火箭的末产生的影响,加上各种技术原因,单级火箭的末速度速度V f 将小于第一宇宙速度将小于第一宇宙速度V1 =7.9干米秒;这干米秒;这就是说,单级火箭并不能把航天器送上天。就
56、是说,单级火箭并不能把航天器送上天。 运载火箭通常为多级火箭,多级火箭是用多个运载火箭通常为多级火箭,多级火箭是用多个单级火箭经串联、并联或串并联(即捆绑式)组单级火箭经串联、并联或串并联(即捆绑式)组合而成的一个飞行整体。图合而成的一个飞行整体。图223为串联式二级为串联式二级火箭的示意图,其工作过程为:当第一级火箭点火箭的示意图,其工作过程为:当第一级火箭点火发动后,整个火箭起飞,等到该级燃料燃烧完火发动后,整个火箭起飞,等到该级燃料燃烧完后,便自动脱落,以便增大以后火箭的质量比。后,便自动脱落,以便增大以后火箭的质量比。这时第二级火箭自动点火继续加速,直至其燃料这时第二级火箭自动点火继续
57、加速,直至其燃料也消耗完后同样自行脱落。这样一级一级地相继也消耗完后同样自行脱落。这样一级一级地相继点火加速直至最后达到所需的速度。对于三级火点火加速直至最后达到所需的速度。对于三级火箭,设各级火箭工作时,其喷气速度分别为箭,设各级火箭工作时,其喷气速度分别为u 1 ,u 2 , u 3 ,其质量比分别为,其质量比分别为N 1 , N2 , N 3,则三级火箭,则三级火箭最后获得的速度为最后获得的速度为 以美国发射以美国发射“阿波罗阿波罗”登月飞船的运载火箭登月飞船的运载火箭“土星五号土星五号”为例,其三级火箭的总质量为为例,其三级火箭的总质量为2800吨左右,高约吨左右,高约85米,第一级喷
58、气速度度为米,第一级喷气速度度为u1 =2.9千千米米秒,质量比秒,质量比N1 =16,第二、第三级的喷气速度,第二、第三级的喷气速度u2 , u3 均为均为4干米秒,质量比分别为干米秒,质量比分别为N 2 =14, N 3=12代入(代入(2216)式,得到)式,得到 Vf =2.9Ln16十十 4(Ln14 Ln12)= 28.5 (千米秒)(千米秒) 实际上,火箭可达到的最终速度要比此值。导噬,火箭可达到的最终速度要比此值。汛笥诘诙宇宙速度,足够完成登月任务了。但已大于第二宇宙速度,足够完成登月任务了。 23 卫星运动与角动量守恒卫星运动与角动量守恒 1957年年10月月4日,
59、前苏联在哈萨克共和国中部日,前苏联在哈萨克共和国中部的拜科努尔航天中心成功地发射了世界上第一的拜科努尔航天中心成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星颗人造地球卫星人造卫星人造卫星1号。这颗卫星虽号。这颗卫星虽然很。本吨挥腥缓苄。本吨挥58厘米,重仅厘米,重仅836千克,内千克,内部结构也很简单,只装有一台双频率的小型发部结构也很简单,只装有一台双频率的小型发报机、温度计以及电池等,但它却具有重大的报机、温度计以及电池等,但它却具有重大的历史意义,表明人类有能力把重物推上天空,历史意义,表明人类有能力把重物推上天空,使它绕地球旋转,宣告了航天时代的到来。使它绕地球旋转,宣告了航天时代的到来。
60、1958年年1月月31日,美国也把它的第一颗人造卫星日,美国也把它的第一颗人造卫星探险者探险者1号送入轨道,尽管这颗卫星更轻,仅重号送入轨道,尽管这颗卫星更轻,仅重822千克,但它首次发现了地球周围空间存在着千克,但它首次发现了地球周围空间存在着大量被地球磁场俘获的带电粒子区域大量被地球磁场俘获的带电粒子区域地球辐地球辐射带。这是航天技术最初取得的重大科学成果。射带。这是航天技术最初取得的重大科学成果。 1970年年4月月24日,我国也成功地发射了第一颗人日,我国也成功地发射了第一颗人造地球卫星造地球卫星“东方红一号东方红一号”,成为继前苏联、,成为继前苏联、美、法、日之后第五个发射卫星的国家
61、。美、法、日之后第五个发射卫星的国家。“东方东方红一号红一号”这颗科学实验卫星设备齐全,总重量为这颗科学实验卫星设备齐全,总重量为173千克,比前四个国家发射的第一颗卫星的重量千克,比前四个国家发射的第一颗卫星的重量之和还多之和还多33千克,并首创在卫星上向宇宙播放千克,并首创在卫星上向宇宙播放“东方红东方红”乐曲的先例。乐曲的先例。1975年年11月月26日,我国又成功发射了返回型遥感卫日,我国又成功发射了返回型遥感卫星,并经三天正常运行后,按预定计划顺利返回,星,并经三天正常运行后,按预定计划顺利返回,成为世界上第三个掌握此项技术的国家。此后,成为世界上第三个掌握此项技术的国家。此后,我国
62、又掌握了一箭多星技术,于我国又掌握了一箭多星技术,于1981年年9月月20日,日,首次用一枚运载火箭把三颗卫星送入各自轨道。首次用一枚运载火箭把三颗卫星送入各自轨道。在在1984年和年和1988年,我国还分别成功地发射了首年,我国还分别成功地发射了首枚地球同步卫星和首枚太阳同步卫星。枚地球同步卫星和首枚太阳同步卫星。1990年年4月月7日,用长征三号运载火箭把亚洲日,用长征三号运载火箭把亚洲1号通信卫星成号通信卫星成功地送入预定轨道,入轨精度达到国际先进水平。功地送入预定轨道,入轨精度达到国际先进水平。1997年年5月月20日,用日,用“长征二号甲长征二号甲”运载火箭将运载火箭将“东方红三号东
63、方红三号”同步通信卫星送入预定轨道,并同步通信卫星送入预定轨道,并定点在东经定点在东经105 0赤道上空。赤道上空。1997年年6月月10日,用日,用“长征三号长征三号”运载火箭将运载火箭将“风云二号风云二号”同步气象同步气象卫星送入轨道。卫星送入轨道。1999年年5月月10日,在太原卫星发射中心用日,在太原卫星发射中心用“长征四长征四号乙号乙”运载火箭将运载火箭将“风云一号(风云一号(C星)星)”气象卫星气象卫星和和“实践五号实践五号”科学实验卫星两颗太阳同步卫星科学实验卫星两颗太阳同步卫星同时送入轨道,轨道高度为同时送入轨道,轨道高度为870千米。图千米。图231为我国发射的几种不同类型的
64、卫星。目前欧洲最为我国发射的几种不同类型的卫星。目前欧洲最先进的重型火箭先进的重型火箭“阿丽亚娜阿丽亚娜5型型”能将能将6吨的有吨的有效负荷送入高空轨道。美国的效负荷送入高空轨道。美国的“大力神大力神4B”的起飞的起飞推力达到推力达到151 27千牛顿,也能将近千牛顿,也能将近6吨的载荷送入吨的载荷送入地球同步轨道。地球同步轨道。 迄今全球已发射了约迄今全球已发射了约 4 000颗各类卫星、转发器颗各类卫星、转发器和航大器,它们在通信广播、对地观察、导航定和航大器,它们在通信广播、对地观察、导航定位、科学研究以及气象等领域得到广泛的应用。位、科学研究以及气象等领域得到广泛的应用。 一、人造地球
65、卫星是怎样发射的一、人造地球卫星是怎样发射的 卫星是由运载火箭点火发射后送入其运行轨卫星是由运载火箭点火发射后送入其运行轨道的。运载卫星的火箭通常为三级火箭,其发道的。运载卫星的火箭通常为三级火箭,其发射后的飞行过程大致可分为如图射后的飞行过程大致可分为如图2. 32所示的三个阶段:所示的三个阶段: 第一阶段:垂直起飞阶段。由于第一阶段:垂直起飞阶段。由于在地球表面附近,大气稠密,火箭飞行时受到的在地球表面附近,大气稠密,火箭飞行时受到的阻力很大,为了尽快离开大气层,通常采用垂直阻力很大,为了尽快离开大气层,通常采用垂直向上发射,况且垂直发射容易保证飞行的稳定。向上发射,况且垂直发射容易保证飞
66、行的稳定。发射后经很短几分钟的加速使火箭已达相当大的发射后经很短几分钟的加速使火箭已达相当大的速度,至第一级火箭脱离时,火箭已处于稠密大速度,至第一级火箭脱离时,火箭已处于稠密大气层之外了。此后第二级火箭点火继续加速,直气层之外了。此后第二级火箭点火继续加速,直至其脱落。至其脱落。 第二阶段:转弯飞行阶段。当第二级火箭脱离第二阶段:转弯飞行阶段。当第二级火箭脱离后,火箭已具有足够大的速度。这时第三级火箭后,火箭已具有足够大的速度。这时第三级火箭并不立即点火发动,而是靠已获得的巨大速度继并不立即点火发动,而是靠已获得的巨大速度继续升高而作惯性飞行,并在地面控制站的操纵下,续升高而作惯性飞行,并在地面控制站的操纵下,使火箭逐渐转弯而偏离原先的竖直方向,直至变使火箭逐渐转弯而偏离原先的竖直方向,直至变为与地面平行的水平方向。为与地面平行的水平方向。第三阶段:进入轨道阶段。当火箭到达与卫星预第三阶段:进入轨道阶段。当火箭到达与卫星预定轨道相切位置时,第三级火箭点火开始加速,定轨道相切位置时,第三级火箭点火开始加速,使其达到卫星在轨道上运行所需的速度而进入轨使其达到卫星在轨道上运行所需的速度而进
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