小议中学物理中关于航空航天的问题
摘 要：近几年来，随着我国航天事业的飞速发展，特别是"嫦娥一号"和"嫦娥二号"的成功发射，鼓舞了一代又一代航天人。同时航空航天也成为物理考试的热点话题。为此，论文以我国航空航天为研究对象，探讨其所包含的物理知识。
关键词：物理；航空航天；问题；探讨
中国航天事业的蓬勃发展也给我们的高考命题提供了很好的素材。2008年发射"神舟七号"，航天员出舱在太空行走；2011年8月，"嫦娥二号"成功进入了绕"拉格朗日点"的轨道，我国成为世界上第三个造访该点的国家；"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等，都给了我们非常生动的情境。下面我就从航天技术的发展历程、载人航天工程七大系统等方面来研究航空航天中的物理问题，具体如下：
一、航空航天技术的发展
人类很早就有了航天的思想，我国古代流传的"嫦娥奔月"、"吴刚砍桂"等传说故事，就是对人类航天理想的生动描绘之一。当然，人类真正实现这种理想是到19世纪末才开始起步的.从那时起，相继涌现出俄国的齐奥尔科夫斯基，美国的戈达德和德国的奥伯特等富于探索精神的航天先驱者。俄国的奥尔科夫斯基最早从理论上证明用多级火箭可克服地球的引力而进入太空，建立了表征多级火箭理想速度的著名的齐奥尔科夫斯基公式。而且他肯定了液体发动机是航天飞行器最适宜的动力装置。美国的戈达德是液体火箭的创始人。他曾指出，要克服地球引力，火箭必须具有每秒79公里的速度。他在1921年开始研制液体火箭发动机，1926年3月16日，他研制的液体火箭飞行成功。德国的奥伯特也是最早的火箭和航天的理论家和实践者。1923年奥伯特论述了火箭飞行的数学理论，并对火箭结构和星际飞行提出了许多新观念。到了1942年10月3日，德国太空协会的青年专家布劳恩领导的航天研究小组，经过艰苦的探索，在总结历次失败教训的基础上，终于发明了再生冷却式燃烧室和燃气舵等新技术。采用这些新技术，终于获得弹道导弹（V-2）的发射成功[1]。从而在工程上实现了航天先驱者的技术思想，取得向地球引力挑战的胜利，并对后来大型火箭的发展起到了继往开来的重大作用。堪称是人类航天发展史上的一个里程碑。
第二次世界大战后，前苏联和美、法、日、加拿大、澳大利亚等国家，都先后发射了探空火箭，创造出发射393公里高度的纪录，获得了许多高层空间的宝贵资料，为发展航天奠定了科学基础。经过10多年的艰苦探索之后，于1957年10月4日，前苏联把世界上第一颗人造地球卫星送入大气层外的运行轨道，开创了人类航天史的新纪元。以后，美、英、法、日和中国、印度等国均成功地发射了人造卫星。自60年代中期开始，卫星的发展便从探索试验转入实用阶段。如今，人类发射的侦察、预警、通信导航、天文气象、海洋监视、测地探矿等应用卫星巳超过2500颗，它们在经济、军事和科研中发挥了非常大的作用。
随着航天技术的发展，人类不断刷新航天纪录.创造出一个个惊人的奇迹。诸如：1961年4月12日开辟了载人航天的成功之路；从1959年开始又开创了对月球的探测和人类登月考察的新篇章；自70年代起，人类对太阳系中的行星先后进行了探测，前苏联和美国并相继在空间建立了航天站；80年代初又发明了能重复使用的航天飞机等等。这些令人鼓舞的成就，对航天技术及其它科学领域的发展都具有深远的历史意义。
二、物理在航空航天中的应用
（一）火箭推进原理
所有航天器的发射都依靠火箭技术，而火箭的飞行是遵循着质点系动量定理和动量守恒的。竖立在发射架上的火箭本身带有燃料和氧化剂，火箭在发射前总动量为零，当点火燃烧后，高温高压的气体不断从火箭尾部的喷管往后喷出，从而使火箭获得向上的巨大推力，克服自身的重力，向太空冲去。下面我们看一下火箭所受的推力大小和火箭的运动速度。
（二）火箭的速度
火箭是依靠连续不断的喷出大量质量m极小的燃料气体才得到连续平稳的加速上行。为了进一步说明火箭在这一过程中获得的速度，先不考虑地球的重力作用，将质量为M的火箭中的燃料燃烧后喷出的燃料气体看成质量为m（远小于M）、相对火箭速度为u的细小弹丸，由于火箭不受任何外力，因此火箭系统总动量守恒，当弹丸以速度u向后喷出，火箭就获得与弹丸等量而方向向前的动量，由于燃料不断燃烧，火箭体的质量就不断减小，因而火箭是一个变质量体系，我们用动量守恒来计算火箭最后得到的速度。
（三）多级火箭
从以上的分析可知，要想航天器上天，至少要获得7.9km/s 的速度，而要到达其他行星或是其他星系，则需要更大的速度。要想火箭得到大的速度，就必须增大燃料气体的喷射速度u和增大质量比M/Me。我们先看燃料气体的喷射速度，它受到诸多因素的影响，一种液态的常规燃料是偏二甲肼（ H-N-N-CH3）加四氧化二氮（N2O4），燃料后气体的速度u接近2km/s，另一种非常规的燃料（如液氢加液氧）做推进剂，其喷射速度可达4km/s。同时由于火箭上所装载的仪器设备等的影响质量比M/Me 也有所限制，大约在10到20之间[2]。在这样的条件下，我们可以对一级火箭所能达到的末速度做一估计，其速度必须达到10.8（km/s）这并不是火箭真正能达到的速度，必须考虑地球引力和空气阻力的影响等，所以最终的单级火箭的速度只可能达到7km/s左右，小于第一宇宙速度7.9km/s，无法将航天器送上天。
实际的火箭通常为多级火箭，是用多个单级火箭经串联、并联或串并联（即捆绑式）组合而成的一个飞行整体。
三、载人航天工程七大系统
（一）航天员系统
载人航天首先要有航天员及其上天飞行的保障设施。这是一个航天员为中心的医学和工程相结合的复杂系统。它涉及航天生命科学和航天医学等领域，包括航天员的选拔训练、航天员的医学监督保障、 航天员的一样食品、航天员飞行训练模拟等分系统。
（二）载人飞船系统
飞船是载人航天的核心部分，它为航天员和有效载荷提供必要的生活和工作条件，保证航天员进行有效空间实验和出舱活动，并安全返还地面。
（三）运载火箭系统
运载火箭是把载人飞船安全可靠送入预定轨道的运载工具。包括箭体结构、动力装置等10个分系统，特别是增加了载人所需的故障监测分系统和逃逸救生分系统。
（四）飞船应用系统
载人航天工程最终是为了应用，创造效益，因此飞船应用系统是备受关注的部分。它利用载人飞船的空间试验支持能力，开展对地观测、环境监测、生命科学、材料科学、流体科学等试验，安装有多项任务上百种有效载荷应用设备。
（五）测控通讯系统
当运载火箭发射和载人飞船上天飞行以及返回时，需要靠测控系统通信系统保持天地之间的经常联系，完成飞船遥测参数和电视图像的接受处理，对飞船运行和轨道舱留轨工作的测控管理，这个测控通信系统由北京航天指挥控制中心、陆上地面测控站和海上远望号远洋航天测量船队组成、执行飞船轨道测量、遥控、遥测、火箭安全控制，航天员逃逸控制等任务[3]。
（六）发射场系统
神舟号飞船的发射场选在酒泉卫星发射中心，发射场系统由技术区、发射区、试验指挥区、首区测量和航天员区组成，形成火箭、飞船、航天员从测试到发射以及上升段、返回段测量的一套完整体系。
（七）着陆场系统
载人航天这路着陆场系统包括主、副着陆场，陆上应急援救、海上应急援救、通信测量、航天员医保等部分。
四、结束语
中学物理考察的内容一直与当前航空航天紧密联系在一起，充分体现了其注重能力与科学素养、理论与实际相结合的特点和要求。物理学的研究，与其它学科之间有者显著的不同，其无论是概念的建立还是规律的发现、概括，都需要思维的加工，与一般的思维过程相比较，在共性之中，物理学科的思维又有其个性。所以需要我们静下心来，准确把握各个知识点之间的联系与区别，举一反三，最终做到融会贯通、灵活多变。
注：本文在湖北工业大学机械工程学院朱老师的指导下完成。
作者简介：姚斓（1996-），武汉市第二中学高三学生。