“嫦娥一号”的长途跋涉过程以及其中的物理原理

“嫦娥一号”的长途跋涉过程以及其中的物理原理

西南大学物理学院 高忠明

　　虽然我国“嫦娥一号”的探月轨道与上世纪60年代美国阿波罗载人飞船的轨道有很大不同(见下图)，但二者运行时所遵循的物理原理基本上是相同的。本文就其运行过程以及其所遵从的一些物理原理给予简单分析，以飨读者。

图1“嫦娥一号”的探月轨道示意图

　　一、“嫦娥一号”的探月过程

　　1.升空

　　2007年10月24日18时05分，长征三号甲运载火箭搭载“嫦娥一号”探月卫星直冲云霄，奔向遥远的月球，成功地进入环绕地球的预定轨道(即16小时轨道)。

　　2.环绕地球运行

　　(1)第一次变轨。 25日17时55分，北京航天飞行控制中心按照预定计划，向在太空飞行的“嫦娥一号”卫星发出变轨指令，对其实施远地点变轨。指令发出130秒后，卫星近地点高度由约200公里抬高到约600公里，变轨圆满成功。这次变轨表明，“嫦娥一号”卫星推进系统工作正常，也为随后进行的3次近地点变轨奠定了基础。这次变轨是“嫦娥一号”卫星在约16小时周期的大椭圆轨道上运行一圈半后，在第二个远地点时实施的。

　　(2)第二次变轨。26日17时33分，北京航天飞行控制中心向“嫦娥一号”卫星发出指令，开始实施第二次变轨。这是卫星的第一次近地点变轨。11分钟后，远望三号测量船传来消息，卫星变轨成功。 变轨前，北京飞控中心对轨道参数及控制参数进行了精确计算，随后向在太空飞行了3圈处于近地点的“嫦娥一号”卫星发送了高精度控制指令，卫星主发动机准时点火，使卫星进入24小时周期椭圆轨道，远地点高度由5万多公里提高到7万多公里。这次变轨为卫星在预定时间到达设计的地月转移入口点创造了条件。

　　(3)第三次变轨。29日18时01分，“嫦娥一号”卫星成功实施第三次变轨，这也是卫星入轨后的第二次近地点变轨。“嫦娥一号”卫星在24小时轨道飞行第3圈时，远望三号测量船在近地点顺利发现目标，把相关数据传送到北京航天飞行控制中心，同时把有关指令发至“嫦娥一号”卫星。实行这次近地点变轨后，卫星由24小时周期轨道进入48小时周期椭圆轨道，远地点高度将由7万多公里提高到12万多公里。 “嫦娥一号”卫星进入48小时周期轨道后，先后开启太阳风离子探测器和太阳高能粒子探测器，进行数据采集和环境探测。

　　3.实现绕地、月转移

　　31日17时15分，“嫦娥一号”卫星接到指令，发动机工作784秒后，正常关机。17时28分“嫦娥一号”在48小时周期轨道上运行1圈后，成功实施第三次近地点变轨，顺利进入地、月转移轨道，开始飞向月球。这也是卫星入轨后的第四次变轨。进入地、月转移轨道后，“嫦娥一号”卫星在地月转移轨道只进行了一次中途修正，就直飞月球捕获点。

　　4.环绕月球运行

　　(1)第一次制动。11月5日11时37分，北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星成功实施了第一次近月制动，顺利完成第一次“太空刹车”动作，月球捕获卫星，卫星成功进入12小时绕月椭圆轨道。这次制动的目的是，降低“嫦娥一号”卫星的飞行速度，以防逃逸月球。

　　(2)第二次制动。11月6日11时35分，北京航天飞行控制中心对“嫦娥一号”卫星成功实施了第二次近月制动，卫星顺利进入周期为3.5小时的环月小椭圆轨道。第二次近月制动主要目的是使“嫦娥一号”进一步降低飞行速度，使其进入“过渡”轨道，从而为卫星最终进入工作轨道做准备。

　　(3)第三次制动。11月7日8时24分，“嫦娥一号”卫星主发动机点火，实施第三次近月制动。8时35分，“嫦娥一号”卫星主发动机关机，第三次近月制动结束。“嫦娥一号”卫星从近月点高度212公里、远月点高度8617公里的椭圆轨道，成功调整到周期127分钟、高度200公里的极月圆圆形轨道，从而正式进入科学探测的工作轨道。

　　至此，“嫦娥一号”经过长途跋涉，耗时13天14小时30分钟终于成为月球的一颗“人造卫星”。

　　5.返回地球过程

　　(1)飞离月球过程 当“嫦娥一号”完成绕月计划计划后，需要脱离月球的束缚，返回地球。这时就可以再次点燃发动机，给“嫦娥一号”加速，提高其绕月环绕高度，直至脱离月球的吸引，奔向地球。

　　(2)飞向地球过程 在“嫦娥一号”飞向地球的过程中也需要调整其飞行速度，改变其航向，直至被地球俘获，继而成为地球的一颗“人造卫星”。

　　(3)返回地球过程 在“嫦娥一号”环绕地球运行过程中，继续实施变轨，降低绕行速度，选择适当位置二、“嫦娥一号”飞行过程中主要涉及的物理原理

　　“嫦娥一号”的整个飞行过程是一个相当复杂的过程，其中涉及到许多科学原理和科学技术问题，这里不可能一一列出，现就其中的主要物理原理分析如下。

　　1.升空过程中的物理原理

　　在“长三甲”运载火箭将“，最后在发动机制动及降落伞的作用下安全着陆到地球。

　　2. 环绕地、月运行过程中所遵从的物理原理

　　“嫦娥一号”在环绕地、月运行过程中，分别以地球与月球所施加的万有吸引力为其做圆周运动的向心力，飞行的高度不同，其运行的速度不同。根据开普勒第二定律(即在相等的时间内扫过的面积相等)，在近地、月点运行的速度快，而在远地、月点运行的速度慢(即卫星离地、月的距离越远其运行的速度就越小)。在“嫦娥一号”数次变轨(绕地、月)的过程中，由于其距离地、月表面的高度不同，其绕行的速度也就不一样。

　　3.绕地、月转移(由“绕地”向“绕月”转移和由“绕月”向“绕地”转移)过程中所遵从的物理原理

　　由于地球与月球的质量相差甚远，卫星要实现地、月之间的转移，就需要改变其运行的速度，否则就无法逃脱地球或月球的吸引。

　　4.着陆地球过程中所遵从的物理原理

　　要实现卫星着陆地球，就要其运动速度小于环绕地球运行的最小速度(即第一宇宙速度)，因此，在卫星装备着陆时需要进一步地降低运动速度。而在其下落过程中，由于受地球引力的作用，其运动速度会不断增大，若不采取措施，落地的速度就会很大。因此，在其下落过程中又要采取降速的措施，即通过制动以及降落伞为返回的卫星减速，以便安全着陆。在“登月车”着陆月球时，原理大致相同。

　　当然，关于“嫦娥一号”的实际探月过程，要比我们这里分析的复杂得多。这是因为我们在分析的过程中未考虑地球和月球的自传以及地球与月球之间的相互作用，事实上，“嫦娥一号”的运行过程涉及到的是三体(地球、月球、卫星)问题，而不是我们这里予以简化的两体(卫星与地球或月球与卫星)问题。虽然三体运动问题的实际情况要比两体的复杂许多，但无论哪种情况，所遵从的基本物理原理是一样的。

　　由此可见，虽然探月工程是一项很高端的前沿科技问题，但其中所涉及的物理原理并不太深奥，其中的一些力学原理在我们中学物理中就已经学过。从中我们也可以看出，在中学物理课程的重要性。当然我们也能体会到，严谨科学态度、科学精神和团结协作的重要性。这么浩大的工程，只要某个细节出错，就会毁于一旦，任何一个环节都来不得半点马虎。

　　真是：细节决定成败，团结就是力量!