系列一宇宙 银河 太空旅行者之探索宇宙的航行
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系列一宇宙 银河 太空旅行者之探索宇宙的航行

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探索宇宙的航行

大家好,我是王芳,欢迎您继续收听。

前面我们讲过宇宙的概念和探索宇宙的意义,那么是通过什么来探索宇宙的呢?那就是宇宙航行,也叫航天飞行。

航天飞行按照引力影响范围又分为近地飞行、近月飞行和星际飞行。在银河系-太阳系中,太阳系的引力影响近似以太阳为中心,半径约为1光年的球;在太阳-地球系统中,地球的引力影响近似以地球为中心,半径约为9.3*105公里的球;在地球-月球系统中,月球的影响近似以月球为中心,半径约为6.6*104公里的球。如果,航天器超出了太阳系引力影响范围,一般称之为宇宙飞行;在太阳系引力影响范围之内、地球引力影响范围之外的叫做行星际飞行,航天器在地球引力影响范围之内的称为近地飞行。近月飞行是指近地飞行进入月球引力影响范围,是近地飞行中的一种特殊情况。

那么,这么多类航天飞行是怎么设计的,遵循的是什么原理呢?

其实,万物运动都离不开牛顿三大定律。不管哪类航天飞行,从过程看,主要包括发射飞行和在轨运行。

先来讲讲发射飞行。

发射飞行过程主要工作的是运载火箭,各类航天器放在运载火箭头部,由运载火箭推送到目标轨道。运载火箭靠化学发动机不断喷出高速燃气产生推力向前推进,因此这个过程是将牛顿定律应用到一个变质量物体的运动过程。在此基础上也引发了人们对于火箭多级构型的想法,从根本上讲就是为了将无用的质量从火箭上分离出去,提高火箭最终速度。虽然火箭发动机推力在发射飞行过程起主导作用,但实际上除了推力之外,还需要考虑地球引力、空气阻力等等,要设计相应的控制力确保火箭瞄准预定轨道飞行。

虽然运载火箭在飞行过程不断地减少总体质量,但由于我们经常使用的化学发动机能力有限,再加上运送航天器的质量要求、发射过程跟踪观测的要求、弹道和残骸安全性的要求等等,有些轨道是运载火箭无法一步送到位的。因此,发射弹道也分为直接入轨、滑行入轨和转移入轨。

接着,我们来讲讲在轨运行。

星箭分离之后,运载火箭的使命就完成了,由航天器独自在轨运行。航天器的在轨运行,主要是将万有引力定律应用到自然天体和人造天体运动中。

但现实远远不像理论方程那么简单。首先,天体的形状往往是不规则的球形,质量分布也是不均匀的,真实的引力场并非理想的中心引力场。因此,除了二体力学中理想的地球引力之外,地球的非球形引力变化是咱们近地航天器运动的最主要影响力,再加上1000公里以下稀薄大气阻力,太阳、月亮甚至其他天体的微弱引力,太阳微弱辐射压等等影响,会造成航天器的实际运行轨道会与理想轨道之间有偏差,这个就叫做轨道的摄动,这些影响力也叫做摄动力,实际上是现实工程设计中需要重点考虑的问题。

最后,我想给大家介绍一下咱们经常使用的两种轨道,属于近地在轨飞行。

一是太阳同步轨道。前面说过了,由于地球是一个非标准的、质量分布不均匀的球体,对在轨航天器会造成摄动影响,影响的结果之一就是航天器的轨道面不会在空间中静止不动,会产生进动。太阳同步轨道,就是要设计,使这个轨道面的进动速度和地球绕太阳的公转速度相同,这样,航天器与太阳始终处于固定的方位,当航天器飞过同一纬度地区时,太阳始终在同一角度照射,这样对于遥感信息获取有很大的优势。

二是地球同步轨道。顾名思义,地球同步轨道就是航天器绕地球一圈的时间与地球自转时间相等,显而易见,在这个轨道上运行的卫星会在每天相同的时刻经过地球上相同的地点。使这个轨道再特殊一点,那就是轨道面和地球赤道面重合时,叫做地球静止轨道,航天器始终处于地球赤道某地的上空,由于与地球自转速度相同,因此相对于地球是静止的,这样就更加容易实现对同一地点的连续观测。

大家可以想象,轨道是在广阔宇宙空间的抽象存在,他的形状、大小、位置可以有无穷无尽的变化,等待咱们一起去开发他们的应用潜力。

感谢大家的收听,我是王芳,期待下次与您一起分享。


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