“天宫一号”飞行器发射的地理角度分析

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  【摘 要】“天宫一号”目标飞行器发射之所以能够圆满成功,本文从发射地点、火箭飞行方向、使用整流罩、进行变轨等四个方面进行了阐述。
  【关键词】飞行器;变轨;地理角度
  北京时间2011年9月29日21时16分03秒,“天宫一号”在酒泉卫星发射中心发射升空,而后自西向东飞行,火箭飞行到210秒时整流罩分离,21时25分准确进入预定轨道,21时28分太阳能电池帆板展开,21时38分中国载人航天工程总指挥常万全宣布,“天宫一号”目标飞行器发射圆满成功。此次成功发射,不仅令国人振奋,同时也为我们地理教师提供了一份极为难得的教学素材。以下就从地理角度分析“天宫一号”发射中的四个“为什么”。
  一、为什么选择在酒泉发射
  第一,建设早,设备全。酒泉卫星发射基地始建于1958年10月,是我国建设最早、规模最大的卫星发射中心,拥有现代化的、完整可靠的发射设施。
  第二,日照时间长,发射机会多。酒泉卫星发射中心位于我国西北部,深居内陆,常年干燥少雨,属内陆及沙漠性气候。该地区年平均气温8.7摄氏度,相对湿度为35%—55%,春秋两季短,冬夏两季较长,一年四季多晴天,云量小,日照时间长,每年约有300天可以发射试验。
  第三,地势平坦,着陆安全。该地区地势平坦,人烟稀少,非常适合返回式卫星的着陆。对于载人航天器来说,这里的地势有利于航天器的安全着陆,也有利于地面搜寻人员迅速到达航天器。因此,我国的“神舟”系列飞船都是从这里发射的。
  二、为什么火箭自西向东飞行
  从 “天宫一号”飞行器发射的报道中,我们注意到这样一个细节,火箭发射后不久便开始向东飞行(见图1)。火箭为什么自西向东飞行?
  
  能不能自东向西飞行,或者说火箭飞行方向能不能随意选择?答案是否定的。这个方向也是科研人员精心设计的。在高中地理第一章地球的宇宙环境中涉及到地球运动的相关内容,这里主要运用了地理中的两个知识点:其一,地球自转方向是自西向东;其二,地球上任何地点都有其对应的线速度。在地球任一地点只有自西向东飞行,才能获得该地点相应的线速度。
  线速度的大小与该地的纬度有关,如图2:图中R地表示地球的半径,r表示地球上某地纬线圈的半径,θ表示地球上某地的纬度,l表示地球上某地的线速度。
  r=R地·cosθ l=2πr·15/360=1/12πr=1/12πR地·cosθ
  从上面的公式中可以看出,纬度越高,线速度越小;反之,线速度越大。酒泉的纬度大约为41°N,则cos41°≈0.755,
  ∵1/12πR地=1670 ∴l=1/12πR地·cosθ≈1670×0.755≈1260由此求出酒泉的线速度约为1260km/h。
  火箭从酒泉卫星发射中心发射自西向东飞行,就直接获得了约1260 km/h的初速度(V0),再加上火箭加速给予“天宫一号”的加速度(假设火箭是匀加速运动),则加速“天宫一号”的入轨速度(V入),即V入= V0+at。
  由此可见,火箭自西向东飞行,可以充分利用当地的线速度,大大节省了火箭的燃料消耗。
  三、为什么要使用整流罩
  卫星整流罩主要起到保护卫星不受气动力的作用;保护卫星不受气动加热的作用;当运载火箭处于临射状态时,可对整流罩内的温度、湿度进行调节,以保证卫星不受低温和环境的影响;保护罩内卫星不受各种烟雾环境的污染。
  地球表面覆盖着厚厚的大气,包围在地球的周围,形成大气圈。地球上的大气由地面到高空,大气的密度越来越稀薄。“天宫一号”从地面发射升空,高速穿越低层大气,与大气产生摩擦后表面温度迅速升高,加上受气动力等的影响,“天宫一号”的主体设备会造成损坏,因此要加整流罩来保护。
  据探测,在离地120公里高度以上的空间,空气密度已小到声波难以传播的程度。因此“天宫一号”飞行到210秒时整流罩分离,表明“天宫一号”已飞出低层大气,整流罩的作用已完成,同时也为下一步“天宫一号”飞行器正常工作作好了准备。
  四、为什么要进行变轨
  北京时间9月30日凌晨1时58分,“天宫一号”成功实施了第一次变轨,使其远地点高度由346公里抬高到355公里。北京时间9月30日16时09分,“天宫一号”成功实施第二次变轨,近地点高度由200公里抬升到362公里。经过两次轨道控制,“天宫一号”已从入轨时的椭圆轨道进入自主运行的圆轨道(见图3)。
  飞行器为什么要变轨?主要原因有两点:一是火箭不能把飞行器精确地送到工作轨道,需要通过飞行器变轨来调整到工作轨道;二是飞行器通过变轨,使椭圆轨道转入到圆轨道。
  “天宫一号”变轨进入圆轨道运行后,使飞行器和地球自转形成一个相对固定的位置关系,便于地面设备的监测和控制;同时飞行器在圆轨道上飞行受力均等,有利于开展各种空间科学实验,更重要的是便于与“神舟八号”实现交会对接。
  (作者单位:江苏省平潮高级中学)
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