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探讨航空航天领域高中物理知识的运用
摘要：万有引力、惯性定律等高中物理知识是中国航空航天工业发展的根本和起点，为航空大学技术提供了基本的原理，因而愈发受到人们的重视。三个宇宙速度、万有引力定律及开普勒行星运动定律在航空领域中应用比较普遍，太空宇航服使用了大量高中物理知识，航天器对接及航天器的轨道运动也体现了高中物理知识的深入应用。
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近年来，神舟系列载人航天器的成功发射意味着中国在航空航天领域取得了令人瞩目的成就，中国向太空探索又迈出了一大步。作为一名高中生，在感叹赞誉祖国取得令人瞩目的成就的同时，也应该早早意识到学习现代科学技术，特别是与航空航天有关的高中物理知识，如法律引力，惯性定律等的重要性，中国航空航天工业发展的基础就是这些物理知识的应用。而且近年来在高考物理中，大部分高考的热点选材来自与引力定律和力学知识相关的航空航天知识。这要求我们在航空航天领域应用高中物理知识并解决具有相关物理知识的航空航天综合问题。
1、高中物理与航空航天技术的联系
在现代社会，它主要用于航空和航天事业的伟大的天文学，作为物理学的重要分支，在世界物理史上一直占据着非常重要的地位。它在物理学的进步和人类对宇宙的理解过程中起着决定性的作用，有力的推动了人类社会的进步。在现代教育中特别是在高中物理学科中，牛顿万有引力定律作为学科的重要组成部分还有其他航空航天的一些知识多年来在高考中占据了绝对的主导地位。[1]作为一门高度综合和重要的科学技术，在科学知识方面，航空航天技术知识逐渐融入到具有相似原理的高中物理中，渗透到某些机械，热和其他物理知识中，高中物理知识作为航空大学技术的基本原理支持受到越来越多的关注。
2、航空领域涉及的天体运动定律
在航空领域，研究对象是广阔的空间中的天体运动，这一宇宙中的普遍现象在高中物理学习中，也是高中物理天体运动学习的必然组成部分。在高中物理学习的过程中，我们经常会发现在航空领域中三个宇宙速度、万有引力定律、开普勒行星运动定律是天体运动的主要定律，在高中物理教科书和考试中发挥着重要作用而且在航空领域也发挥着重要作用的万有引力定律是所有天体运动的基础。
2.1 开普勒行星运动定律
开普勒的行星运动定律还包括与天体在运动过程中的轨迹有关的开普勒的轨道定律。在太阳系中的所有行星，无论在此过程中移动，在近日点位置，速度最大还是速度最小，都有一个它们与同时被太阳扫过的线相等的共同点。而且在行星和天体运动过程中，运动周期的具体大小不受其他天体的影响，只与中心天体相关。
2.2 万有引力定律
一个针对两个物体之间相互作用的万有引力定律在航空领域非常普遍。在自然界中，任何物体之间都会有吸引力。在高中物理学习中，万有引力定律的主要内容是：受到引力的大小取决于两个物体的质量和G的乘积以及它们距离的平方。[2]很容易理解宇宙引力定律的发现，在航空航天领域具有重要的应用。例如，在太阳系的运动过程中地球围绕太阳运动，万有引力存在地球和太阳之间，使得地球不会在围绕太阳运动运动过程中脱离太阳系。
2.3 三大宇宙速度
送各种宇宙飞船时人们在在宇宙中发需要考虑引力定律，同时为了满足环绕太阳，不致于脱离太阳系、飞出太阳系的需要，有着不同的宇宙飞船发射要求。在发射航天器的过程中，它们还需要具有一定的最小发射速度范围。根据力学理论，发射速度应根据7.9km/s的第一宇宙速度（也称为圆周速度），11.2km/s的第二宇宙速度和16.7km/s的第三宇宙速度而定。目前16.7km/s即第三宇宙速度是我们目前难以达到的速度———脱离太阳的引力，飞出太阳系。
3、高中物理知识在航空航天领域的应用
3.1 宇航服中应用的高中物理知识
人类，在没有保护的情况下无法生存在一个真空环境———太空中。研究人员为了保护宇航员的生命健康，量身设计了多种功能集于一身且使用了大量高中物理知识的太空宇航服。首先，因为宇航员的外部工作环境较差，宇宙环境中的辐射对宇航员的健康有一定的影响，为了确保其安全，第一层太空服，研究人员使用镀铝材料作为第一层的主要材料，是一种特殊材料的具有防辐射，防磨损，防刺等多种功能的多功能层，镀铝材料可以承受大量的宇宙射线。其次，太空服的第二层是气密层，研究人员为实现太空服内部压力的稳定性，采用的是加压气密性方式。太空服在第二层的约束下存在压差也不会变形，也防止了宇航员处于宇宙的真空环境时，由于压差在短时间体内血液迅速膨胀甚至“爆炸”。第三，隔热层是航天服设计的第三层。以月球为例，太阳侧和月球背面之间以及不同位置之间的温差受光影响可达数百摄氏度。为了解决这个问题，使得快速变化可确保宇航员在适当的环境温度下工作，研究人员利用水特性———大比热容来降低温差，使用冷却循环系统来确保航天服内部温度的适宜性、稳定性。最后，大多数配备太空服的头盔，为承受大气压力的影响且避免在宇宙环境中人眼直接暴露，进行了双层设计，以滤除大量影响宇航员瞳孔和视力敏锐度的有害射线。太空服除了面窗外还为头盔增加了阻挡强光的遮光窗口，它具有一系列光谱特性，能够不影响宇航员的正常视觉，避免在宇宙飞船外工作的宇航员造成的眼睛损伤。
3.2 航天器对接应用的高中物理知识
在之前集体观看神舟飞船与天宫一号在宇宙中对接的直播电视时，如下图所示，我们发现现场指挥员面前有用于观察神舟飞船和天宫一号在在宇宙中对接的两条交叉线，即姿态调整标准线。操作员首先对齐姿态调整标准线———两条交叉线的中心；其次，启动神舟飞船上的发动机，神舟号飞船在移动过程中实现两条交叉线的重合。调整航天器的滚动姿态决定了神舟飞船与天工一号对接的成功概率，因此选择通过起始线连接的两个发动机A和B———两个发动机的推力矢量相反———穿过航天器的中心，可以最大限度节省燃料。基于力的矢量合成可以看出FA产生的角加速度ωA和ωB在同一方向上。因此，航天器开始形成逆时针旋转线，然后交叉线开始前进，临近稳定状态，神舟号航天器以一定角度滚动后，航天器的A，B发动机向后转动，会形成与当前旋转线速度相反的线性加速度ωA′和ωB′，在两条交叉线相互重叠后，使航天器的线速度逐渐降到0。操作员可以将神舟号飞船与天宫一号连接起来，当航天器进入零线速度状态时。
3.3 航天器的轨道运动
作为地球与太空之间飞行的航天器，宇宙飞船完成从地球表面到太空的旅程，宇宙飞船为便它可以自由地在一个圆圈内移动，为了与其他原始航天器对接，是通常需要选择适当的时间通过远地点转换其轨道，进入地球外的某个轨道，并且最好在更理想的轨道上执行椭圆运动。航天器的操作改变其运动，通过多次轨道变换，并最终使航天器的半径成为椭圆形的半长轴。如果这种轨道变化失败，航天器将失去控制并落入大气层，在太空中永久燃烧或漂浮。因此，航天器的初始椭圆轨道在太空领域只是第一步，为了降低火箭发动机的燃料消耗，初始速度和航天器航向的失效概率，准确计算相关参数是所有过程中最重要和最关键的步骤。[3]因此，研究人员需要格外注意。中国2013年发射了太空中停留了15天的神舟十号载人飞船，该飞船在离开地球表面后，它首先沿椭圆轨道移动，最后成功地在轨道上运行。
4、结论
高中物理知识可用于解决一些航空航天领域中常见的现象。通过了解在航空航天中的应用的高中物理知识，对我们高中生而言，可以调动对物理知识学习的兴趣和培养高中生相应的物理实践能力，促进每个学生的全面发展。
参考文献:
[1]闰芳旭.高中物理知识在航空航天方面应用实例分析[J].中国科技投资,2016(34):342.
[2]纪铎.高中物理知识在航空航天方面应用实例分析[J].未来英才，2017(21):194.
[3]张竞豪.浅析计算固体力学的发展及其在航空航天工程中的应用[J].探索科学,2016(12):188.
李嘉轲.高中物理知识在航空航天方面应用分析[J].科学技术创新,2019(27):54-55.
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根据牛顿万有引力定理,行星与主星距离越近,引力越大。主星引力对行星的撕裂作用是不容小觑的,行星也依靠自身引力使其趋于球形。当主星对行星的引力过大的时候,行星将被撕裂。基于上述架设,我们构建以下数学模型进行行星撕裂临界态分析。采用太阳系内八大行星的实例验证上式。采用距离太阳最近的且密度大小排名仅次于地球的水星验证。
2020-08-27
活动星系核(ActiveGalacticNuclei,AGN)是指一个星系中心的高密度区域.作为AGN中物理特性最为极端的一个子类,耀变体(Blazar)的相对论性喷流几乎直接指向观测者.耀变体被分为两个子类,分别是平谱射电类星体(FlatSpectrumRadioQuasars,FSRQ)和蝎虎类天体(BLLacertae,BLLac).
2020-08-27
本文利用文献[11,12]中介绍的研究近平运动共振的方法,对Kepler-9b、c两行星的共振状态进行分析,并由此讨论了可能的演化历史.第2节介绍了二阶哈密顿分析模型第3节给出了只考虑长期共振情况下的两个周期解,同时给出取不同周期解时对应的能量和行星的轨道偏心率.
2020-07-14
一个自转的物体当受到外力作用,导致该物体自转轴绕某一个中心旋转,在运动平面内的天体,其轨道向前进动,如水星轨道平面绕太阳旋转向前进动。图11S2恒星绕人马座A*轨道呈现玫瑰花进动,原理就是围绕“人马座A*加S2恒星”系统的外力STYCF的旋转方向为逆时针,带动S2恒星轨道逆时针进动。
2020-07-14
这一时期内天体力学的它的研究对象主要是月球和大行星,人们主要运用经典分析方法,也就是所谓的摄动理论来进行天体运动的研究。经典天体力学作为天体力学的基本体系就是在它的奠基时期内逐步形成的。微积分学由牛顿和莱布顿创立,并为天体力学研究中所用到的数学基础提供帮助。
2020-07-14
数值积分是一个经典问题,自20世纪70年代起,伴随着计算机技术的发展,对积分器的研究一直没有停止过。近几年仍不断有新的积分方法提出,计算高效、程序实现简单、适用性广是总的发展趋势[1,2,3,4,5]。积分器分为单步法和多步法,前者每步积分都需要计算多次被积函数,且步长较小;多步法积分器对被积函数的计算次数少,积分步长大,在计算效率上具有优势。
2020-07-14
在长达两千多年的科学发展史中,重大的科学成就与重要科学方法的应用是分不开的.牛顿发现了万有引力定律进而创立了科学的天文学.由于进行了光的分解创立了科学的光学,由于创立了二项式定律和无限理论而创立了科学的数学,由于认识了力的本性而创立了科学的力学[1].在牛顿力学中,如果已知初始条件,可以预测有序系统的未来的运动状态.
2020-07-14
国际天文学联合会于1980年前后形成的以光学观测为基础的IAU1976/1980岁差-章动模型。该模型由文献[1,2]提出的IAU1976岁差模型和Seidelmann[3],文献[4]提出的IAU1980章动模型构成。基于IAU1976/1980岁差-章动模型的坐标转换依赖于天赤道和黄道形成的春分点。然而,春分点对于不同的恒星星表和太阳系历表,均有不同的实现[5]。
2020-07-14
Jose(1965)及后来的天文学家和天体物理学家在探讨太阳(S)绕太阳系质心(C)运动与太阳活动的关系时,都对太阳轨道运动的179a-Josecycle周期与太阳活动的准双世纪周期关系进行过探讨,基本认为二者具有一定的同步性,但都没有关注到太阳轨道运动有时并不绕过太阳系质心这一现象,更没有对这一特征的周期性规律进行探讨.
2020-07-14
系统论的核心思想是系统的整体观念，强调任何系统都是一个有机的整体，它不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的性质.系统中的各要素不是孤立存在着，每个要素在系统中都处于一定的位置，起着特定的作用.要素之间的关联，构成一个不可分割的整体.
2020-07-09
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期刊名称：天文学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国天文学会
出版地方：江苏
专业分类：科学
国际刊号：0001-5245
国内刊号：32-1113/P
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2020-03-24
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