论述“嫦娥一号”奔月的主要过程及其中的物理学原理(1)

学号：*********** 本科学年论文学院物理电子工程学院专业物理学年级2009级姓名胡永魏论文题目论述“嫦娥一号”奔月的主要过程及其中的物理学原理指导教师童永在职称讲师成绩2012年6 月3 日目录摘要 (1)Abstract (1)1 引言 (1)2 “嫦娥一号”的探月过程 (2)2.2实现绕地和绕月转移 (2)2.3环绕月球运行 (3)2.4返回地球过程 (3)3 “嫦娥一号”飞行过程中主要涉及的物理原理 (4)3.1升空过程 (4)3.2绕地和绕月运行过程 (4)3.3 绕地向绕月转移过程 (5)3.4着陆地球过程 (5)4 结论 (6)参考文献 (7)论述“嫦娥一号”奔月的主要过程及其中的物理学原理摘要：本文从“嫦娥一号”奔月的成果说起，接着具体阐述了“嫦娥一号”奔月过程的绕地、绕月、返回过程，最后具体分析了“嫦娥一号”奔月各个过程的的主要物理学原理，使我们清晰的了解这一复杂的过程。

关键词：“嫦娥一号”；万有引力定律；开普勒第二定律Chang-er's no.1" discussed in the main process and earth-halfprinciple of physicsAbstract: This article from the "Chang first," Moon said, then defines the "Chang first" orbit of the Moon, Lunar, return, final analysis, "Chang-first" Moon of the main principles of physics, our clear understanding of this complex process.Key words: Charng-er's no.1; The law of universal gravitation ; Kepler second law.1 引言1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星[1]，从此，开创了人类航天时代的新纪元。

三十多年来，伴随着空间活动的频繁发生，逐渐形成了一门独特的综合性学科——空间科学[2]。

它主要是利用空间飞行器作为手段来研究发生在宇宙空间的物理、化学和生命等自然现象的一门前沿科学，包括了空间物理学、空间天文学、空间化学、空间地质学、空间材料科学和空间生命科学等分支。

北京时间2007年10月24日，我国首颗以古代神话任务嫦娥命名的“嫦娥一号”卫星从西昌卫星发射中心成功发射升空。

这标志着我国的航天事业又向前迈出了一大步，我国的深空探测又迈进了一大步。

从发射开始，嫦娥一号卫星累计飞行494天，其中环月482天，期间经历三次月食，5次正、侧飞姿态转换，共传回1.37tb的有效科学探测数据，获取了全月球影像图、月表部分化学元素分布、月表土壤厚度等一系列科学研究成果，圆满实现工程目标和科学目标，为我国月球探测后续工程和深空探测奠定了坚实的基础[3]。

12 “嫦娥一号”的探月过程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[4](即16小时轨道)。

2.1 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[5]。

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[6]。

2.2实现绕地和绕月转移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。

“嫦娥一号”奔月轨道图2.3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[7]。

（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”。

2.4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。

3 “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[8]，这里不可能一一列出，现就其中的主要物理原理分析如下。

3.1升空过程在“长三甲”运载火箭将“嫦娥一号”送入太空的过程中，要求其发射速度至少达到第一宇宙速度（7.9公里/秒）。

根据万有引力定律和圆周运动规律有22Mm v G m R R= （1） 所以v = （2） 由于卫星飞离地球时有一定的高度，即距离地心的距离要大于地球半径，因此卫星要飞离地球其速度要大于第一宇宙速度。

只有这样才能保证“嫦娥一号”不至于被火箭“抛出”后落回地面[9]。

运载火箭上升过程中所遵从的物理原理时我们所熟知的动量定理（近似情况下，可以视整个系统的动量守恒）。

即火箭在氢燃料燃烧后向下喷出火焰所施加的持续反冲力作用下，加速上升，由于“长三甲”是捆绑式分级火箭，每当抛出一级火箭后，整个运载火箭的质量就大大减小，这样就能获得更大的加速度，直至将“嫦娥一号”的速度提升到发射速度。

火箭在大气层内运动的过程中，与大气的摩擦力是很大的，摩擦力做功会使大量的机械能转化为热能，导致火箭表面的温度达到很高。

因此，火箭、卫星外层要用由耐高温材料制作的防护罩来保护。

3.2绕地和绕月运行过程“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[10]（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。

3.3 绕地向绕月转移过程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。

3.4着陆地球过程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。

先用运载火箭将嫦娥一号送到围绕地球运转的一个轨道，这个轨道的近地点是200公里，远地点是51000公里，这个过程原理就跟地球卫星发射相同。

进入到这样一个轨道以后，卫星与火箭完全分离，卫星的太阳能帆板打开，然后通过卫星的姿态控制调整卫星姿态，通过轨道控制增加卫星速度。

第一次时把椭圆运行轨道的近地点从200公里调整到600公里，主要是为了测控能够较长时间看见卫星。

然后在600公里的近地点高度跟51000公里的远地点高度这样的椭圆轨道上，每一次卫星走到近地点位置就进行一次点火，在近地点点火，椭圆轨道的远地点就比原来要增加，根据轨道的测量计算，最后到预定值。