宇宙航行资料

第六章万有引力与航天§6.5宇宙航行2020年6月2日星期二一、人造卫星的发射原理1、牛顿设想：抛出速度很大时，物体不会落回地面2、人造卫星绕地球匀速圆周运动的原因人造卫星受到地球对它的万有引力作用，人造卫星作匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。3、人造卫星的运行规律设地球质量为M，卫星质量为m，卫星的绕行速度v、角速度ω、周期T、向心加速度a与轨道半径r的关系r(a、V、ω、T)卫星运动的线速度、角速度、向心加速度和周期：rGM(3)由得：ω＝3rGM(4)由得：Ｔ＝可见：卫星运动情况(a、V、ω、T)是由r惟一决定(2)由得：ｖGMmr2=mv2rGMmr2=mω2rGMmr2=m()r２πT2GM4π2r3(1)由得：a＝GMmr2=maGMr2记忆口诀：“高轨低速长周期”1234v1v2=v3v4T1T2=T3T4ω1ω2=ω3ω4人造地球卫星的运动规律练习：对于绕地球运动的人造卫星：（1）离地面越高，线速度越——（2）离地面越高，周期越——（3）离地面越高，角速度越——（4）离地面越高，向心加速度越—（5）离地面越高，向心力越——小长小小小两颗人造地球卫星，都在圆形轨道上运行，它们的质量不相等，轨道半径之比r1:r2=1:4,则它们的(1)线速度大小之比v1:v2=(2)周期之比T1:T2=课堂训练rGMv1:2GMrT328:12011年11月3日，“神州八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实施了首次交会对接。任务完成后“天宫一号”经变轨升到更高的轨道，等待与“神州九号”交会对接。变轨前和变轨完成后“天宫一号”的运行轨道均可视为圆轨道，对应的轨道半径分别为R1、R2，线速度大小分别为V1、V2。则等于()12vvA.B.C.D.3132RR21RR2221RR21RRB2020年6月2日星期二二、宇宙速度1、第一宇宙速度：(环绕速度）V1=7.9km/s地球11.2km/sv7.9km/s2、第二宇宙速度：(脱离速度)V2=11.2km/sV3=16.7km/s3、第三宇宙速度：（逃逸速度）17.9/GMvkmsR17.9/vgRkms法二：211.2/vkms316.7/vkms→人造行星→人造恒星人造卫星概念辨析发射速度和运行速度1、发射速度：是指被发射物在地面附近离开发射装置时的速度。2、运行速度：是指卫星进入轨道后绕地球做匀速圆周运动的速度。1GMvrr↗v↘①宇宙速度均指发射速度②第一宇宙速度是在地面发射卫星的最小速度，也是环绕地球运行的最大速度2002年3月25日，我国成功发射了“神舟”三号宇宙飞船，这标志着我国的航天技术上了一个新台阶，若飞船在近地轨道上做的是匀速圆周运动，则运行速度的大小是（）A.V11.2km/sB.V=7.9km/sC.7.9km/sV11.2km/sD.V=11.2km/sB练习:1.2、人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动，其速率（）A.一定等于7.9km/sB.等于或小于7.9km/sC.一定大于7.9km/sD.介于7.9km/s~11.2km/s之间B3.下列说法中正确的是（）A.运行的轨道半径越大，运行速度越小，发射速度越小B.运行的轨道半径越大，运行速度越大，发射速度越大C.运行的轨道半径越大，运行速度越小，发射速度越大D.运行的轨道半径越大，运行速度越大，发射速度越小C三、近地卫星近地卫星是指卫星的轨道半径近似等于地球半径，其周期约为84分钟。其向心力由万有引力提供。2020年6月2日星期二112466.67105.891016.3710/7.9/GMRvmskms这就是人造地球卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的最低发射速度，叫做第一宇宙速度。近地面的卫星的速度是多少呢？11226.6710/GNmkg已知：66.3710Rm245.8910Mkg2020年6月2日星期二练习：求近地卫星的周期631124(6.3710)23.146.67105.9810s地GMrT3235.061084.3mins我们能否发射一颗周期为80min的卫星？四、地球同步卫星1、定义所谓地球同步卫星，是相对于地面静止的和地球具有相同周期的卫星，同步卫星必须位于赤道平面内，且到地面的高度一定。rvωTa“全部固定”圆轨道在赤道平面，即在赤道的正上方；周期与地球自转周期相同，为24小时；绕行方向为自西向东。大家能否计算出同步卫星的高度，线速度呢？2、地球同步卫星的运行特征可概括为四个一定①定轨道平面,其运行轨道平面在赤道平面内；②定周期,即运行周期等于地球自转周期（24h）③定高度，即离地面高度一定（h=36000km）④定速度，即运行速度一定（v≈3.1km/s）3、同步卫星的应用：主要用于通信3颗同步卫星可实现全球覆盖所以也叫通信卫星2020年6月2日星期二为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。“高轨低速长周期”五、人造卫星的轨道所有卫星都在以地心为圆心的轨道上(原因？）平面立体赤道平面人造卫星的轨道2020年6月2日星期二例题：甲、乙为两颗地球卫星，其中甲为地球同步卫星，乙的运行高度低于甲的运行高度，两卫星轨道均可视为圆轨道。以下判断正确的是()A．甲的周期大于乙的周期B．乙的速度大于第一宇宙速度C．甲的加速度小于乙的加速度D．甲在运行时能经过北极的正上方AC2020年6月2日星期二六、人造卫星的超重和失重1、发射和回收阶段发射加速上升超重回收减速下降超重2、沿圆轨道正常运行只受重力a=g完全失重与重力有关的现象全部消失天平弹簧秤测重力液体压强计七、卫星变轨VF引rvmF2向2rMmGF引向引FFF引＜F向F引＞F向卫星变轨原理MmA点速度—内小外大（在A点看轨迹）在A点万有引力相同A·思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即可使其沿高轨道运行。卫星变轨原理1、卫星在二轨道相切点万有引力相同速度—内小外大（切点看轨迹）2、卫星在椭圆轨道运行近地点---速度大，动能大远地点---速度小，动能小vF引221RMmGRmv122222,vRMmGRmv使使卫星加速到R卫星在圆轨道运行速度V1V2θ＞900减小卫星变轨原理v3F引223LMmGLmvL卫星变轨原理使卫星进入更高轨道做圆周运动2244LMmGLmvv，使使卫星加速到v3v4卫星的回收1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（）A、在轨道3上的速率大于1上的速率B、在轨道3上的角速度小于1上的角速度C、在轨道2上经过Q点时的速率等于在轨道3上经过Q点时的速率D、在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2上经过P点时的加速度QP2·31BD2、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为h1的近地轨道Ⅰ上．在卫星经过A点时点火实施变轨，进入远地点为B的椭圆轨道Ⅱ上，最后在B点再次点火，将卫星送入同步轨道Ⅲ.已知地球表面重力加速度为g，地球自转周期为T，地球的半径为R．求：（1）近地轨道Ⅰ上的速度大小；（2）远地点B距地面的高度。解：“嫦娥奔月”图理性探究发射、变轨、运行2.2007年10月24日“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧，如图所示（）A.“嫦娥一号”由⑤到⑥需加速、由⑦到⑧需减速B.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度C.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比E.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力①②③近地变轨轨道修正转移轨道④⑤⑥⑦⑧发射D3.2007年10月24日，“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧，如图所示。若月球半径为R，试写出月球表面重力加速度的表达式。①②③近地变轨轨道修正转移轨道④⑤⑥⑦⑧发射八、对接问题：宇宙飞船与空间站的对接•空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。•思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。•飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。•通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。空间站飞船对接方法：例：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想b尽快追上a并完成对接，b应采取的措施是（）A、沿运动方向喷气B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气C、沿运动反方向喷气D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气B1、回顾航天史世界上第一个想利用火箭飞行的人14世纪九、梦想成真（航空领域重大成就）1957年10月，苏联发射第一颗人造地球卫星。1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人类进入太空的梦想。1969年7月20日，阿波罗11号将人类送上了月球。1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空2、中国的航天成就2003年10月15日神舟五号杨利伟2005年10月12日神舟六号费俊龙聂海胜2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功2008年9月25日神舟七号翟志刚刘伯明景海鹏3、展望未来美国“凤凰”号火星探测器2007年8月4日发射，2008年5月25日在火星着陆。“卡西尼”号土星探测器1997年10月15日发射升空，2004年1日飞抵土星。“先驱者”10号太空探测器1972年3月2日发射升空，1986年6月飞出太阳系光子火箭《星球大战》超光速飞船“千年隼”号