天宫启程之太空之吻

郭奇花

(北京市延庆一中 北京 102100)

天宫一号于2011年9月29日21:16:03发射成功，标志着我国的航天事业上了一个新的台阶．

天宫一号的发射，与前几次发射神舟号宇宙飞船类似，先由长征二号FT1火箭运载，然后与火箭脱落，经两次变轨进入高度约为350 km的近圆轨道进行在轨测试.它的最大特点是：神八发射前，天宫一号降轨至高度约343 km的近圆轨道进行“太空之吻”,即等待交会对接．

交会对接是两个过程，交会是指两个航天器靠近的过程．相当于两个人的约会；对接是指它们“相会”后，通过专门的对接机构将两个航天器连接成一个整体，相当于太空之吻．但它们的表现行为不同，一个是主动的，另一个是被动的．被动的航天器称为“目标航天器”，如“天宫一号”，它被首先发射到太空，之后一直处于自己的运行轨道，它的任务是等待另一个航天器与它“相会”． 另一个是主动航天器，也称为“追踪航天器”，如后续发射的“神舟”八号、“神舟”九号飞船．

要使对接顺利完成，两个航天器的轴线必须在同一条直线上，并且相对速度要接近零．因为两个航天器的实际飞行速度都非常大．设其轨道运行速度为v,则根据万有引力定律可得

GM=gR2

得

v≈7.79×103m/s=28 040 km/h

所以对接难度非常大，两个航天器轨道的控制必须相当的精准，航天器相撞时的横向偏差不能超过0.1 m．

为了使两个航天器在同一轨道对接，不能像地面上的相遇问题一样，将二者先发射到同一个轨道，然后飞船去追天宫一号，因为一旦加速，原来轨道上的万有引力不变，但所需向心力增大，飞船会离心而无法与天空一号对接，可有两种对接方式，即飞船先在低轨道上运行，运行到适当位置，再加速到一个椭圆轨道，使飞船和天宫一号同时运行到两轨道的相切点便可对接，如图1(a)所示；另一种是先使飞船在高轨道上运行，然后在适当位置减速，使飞船做近心运动，使二者在轨道相切点对接，如图1(b)所示．设无穷远处为零势能，运行半径为r的航天器其势能、动能和机械能如下

所以

图1

由此可见，轨道越高，机械能越大，要发射上去越困难，所以实际中都采取前一种方式进行对接．对接过程也满足动量守恒，假设天宫一号和神州八号飞船质量分别为M和m,对接前速度为v,对接后速度为v′，则有

Mv+mv=(M+m)v′v=v′

此时，机械能也守恒．