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随着我国“神舟十号”宇宙飞船的发射和回收成功,尤其是“神舟十号”太空行走的成功,使宇宙飞船和人造地球卫星问题再度成为中学物理教学以及青少年科普知识中的一个亮点,相信它也将成为高考命题的一个热点.
神舟飞船轨道舱:2011年1月13日 巨大的飞船在绕地球轨道飞行
飞船（卫星）的发射和回收过程中存在着绕地球做匀速圆轨道运行和以地球为一个焦点的椭圆轨道运行,如何用中学物理知识来分析飞船（卫星）沿轨道运行和变轨问题?要正确分析这类问题,就必须掌握卫星在不同轨道上运动时的受力与运动的关系.
1.飞船（卫星）绕地心做匀速圆周运动
飞船（卫星）绕地心做匀速圆周运动时,地球对飞船的万有引力恰好提供飞船做圆周运动所需的向心力,万有引力的方向与线速度方向垂直.若卫星的轨道平面在地球的赤道平面上且卫星做匀速圆周运动的周期与地球的自转周期相同,绕行方向与地球自转方向也相同（从地球上看是自西向东）,则这种卫星就是地球同步卫星,它距地面的高度是一个定值.
2.飞船（卫星）绕地球做椭圆轨道运行
飞船（卫星）绕地球在椭圆轨道运动时,由开普勒第一定律可知,地球位于卫星轨道的一个焦点上（如图1所示）.
飞船（卫星）在轨道上的两个特殊位置A、B（A为近地点,B为远地点）所受万有引力的方向虽然与飞船线速度的方向垂直,但均不满足万有引力等于飞船该点所需向心力的条件；飞船在椭圆轨道上的其它各个位置（如C位置）所受万有引力的方向既不与线速度的方向垂直,也不满足万有引力等于该点所需向心力的条件,故飞船在椭圆轨道上运行时线速度的大小和方向均不断发生变化.
在近地点A处,由开普勒第二定律可知,飞船的速度较大,地球对飞船的万有引力小于飞船做半径为Ra的圆周运动所需的向心力,故飞船做离心运动,轨迹是椭圆.随着到地心距离的增大,万有引力减小,飞船克服万有引力做功,引力势能增大,动能减小,速度减小.
飞船由远地点B向近地点A运动时,地球对飞船的万有引力大于它绕地球做半径为Rb的圆周运动时所需向心力,飞船做向心运动.
飞船运动到椭圆轨道上的一般位置（如C处）时,所受万有引力的方向与速度的方向不垂直,可将万有引力分解为沿速度方向上的切向分力和垂直速度方向上的法向分力,切向分力使飞船加速或减速,法向分力使飞船速度方向改变.
3.飞船变轨
当飞船沿椭圆轨道运动到近地点A时,若飞船向前喷气而使其减速到绕地心做圆周运动所需的向心力刚好等于飞船在A点所受地球的万有引力时,则飞船将由椭圆轨道变为半径为Ra的圆轨道.反之,当飞船由半径为Ra的圆轨道运动到A时,若飞船向后喷气而使飞船加速,导致万有引力提供飞船绕地球做圆周运动的向心力不足,飞船将沿椭圆轨道做离心运动.同理,当飞船沿椭圆轨道运动到远地点B时,若飞船向后喷气而使飞船加速到绕地心做圆周运动所需的向心力刚好等于飞船在B点所受地球的万有引力时,飞船将由椭圆轨道变为以地心为圆心,以Rb为半径的圆轨道运动；反之,当飞船沿半径为Rb的圆轨道运动到B点时,若飞船向前喷气而使飞船减速,万有引力提供向心力有余,飞船将沿椭圆轨道做向心运动.
当飞船沿椭圆轨道运动到C点时,将此时的速度分解为沿万有引力方向和垂直于万有引力方向两个分速度,若向前或向后喷气使与引力方向在同一直线方向的分速度恰好减为零,此时若垂直于引力方向的分速度恰好满足飞船绕地心做圆周运动所需的向心力等于飞船所受的万有引力,则飞船由椭圆轨道变为半径为Rc的园轨道.反之,当飞船沿半径为Rc的圆轨道运动到点C时,若飞船向远离地球方向或向着地球方向喷气而获得沿半径方向的分速度,则合速度的方向不与万有引力方向垂直,飞船从圆轨道变为C点的椭圆轨道.
4.飞船与太空站的对接
太空站实际上就是一个载有人的人造卫星,那么,地球上的人如何登到太空站,太空站的人又如何返回地面?这些活动都是通过太空飞船或航天飞机来完成,这就存在一个太空飞船或航天飞机与太空站对接的问题.
能否通过把太空飞船先发射到太空站的同一轨道上,再通过加速去追上太空站实现对接呢?这样做是不行的,因为飞船加速时它所需的向心力也增大,而在同一圆轨道运行的卫星所受的万有引力大小不变,所以飞船加速后会偏离原来的轨道而无法与太空站对接.飞船与航天飞机首先在较太空站低的轨道运行,当运行到适当位置时,再加速运动到一个椭圆轨道.通过计算好轨道使飞船或航天飞机跟太空站同时运行到两轨道的相切点,便可实现对接,如图2所示.愿我国的航天事业享誉全球.
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