神舟6号、7号及相关物理问题

2019-11-11 18:57:42

  神舟六号载人飞船由轨道舱、返回舱和推进舱组成。期间,地面指控中心通过生理遥测参数和回传图像及话音通讯,了解航天员的身体、生活和工作状态。航天员监视飞船飞行过程中重要指令的执行情况以及飞船工况,并向地面报告有关情况和补发有关指令,进行相机和海事卫星终端试验操作。

  起飞命令发出后,火箭一级发动机和4个助推发动机同时点火,发射方位角103度。主要飞行程序为:火箭飞行约120秒逃逸塔分离,约137秒助推器分离,约159秒火箭一、二级分离,约200秒整流罩分离,约461秒二级主发动机关机,约584秒游机发动机关机,船箭分离,飞船入轨。飞船进入倾角42.4度、近地点高度200公里、远地点高度346.8公里的椭圆轨道。飞船建立轨道运行姿态,展开推进舱上的太阳能电池阵,对太阳定向,并在第5圈实施变轨,进入高度343公里的圆轨道飞行。

  载人飞船的主要返回程序是:在返回的前一圈,由地面测控站向飞船注入返回制动参数。飞船偏航调姿90度,轨道舱与飞船分离。再偏航调姿90度并制动进入返回轨道,下降至140公里高度,推进舱与返回舱分离,返回舱再入大气层,按程序开伞减速,在下降至离地面约1米左右时,着陆缓冲发动机点火工作,返回舱着陆。舱内航天员确认着陆后,发指令切掉主伞并及时与地面搜救人员联系。

  空中搜索直升机和地面搜索回收车辆对目标搜索定向。发现目标后,赶往返回舱着陆地点,协助航天员出舱,回收返回舱。

  轨道舱留轨飞行约半年,开展有关的空间科学实验和应用试验。

  飞船上新增加了40余台设备和6个软件,使飞船的设备达到600余台,软件82个,元器件10万余件,做出了4个方面110项技术改进。

  围绕两人多天任务的改进:食品柜得到真正使用,通过水箱和单独的软包装两种方式准备了航天员用水。扩大了冷凝水箱,确保飞船湿度控制在80%以下。

  轨道舱功能使用方面的改进:放置了食品加热装置和餐具等。轨道舱中挂有一个睡袋,供两名航天员轮流休息用。轨道舱中还有一个专门的清洁用品柜,航天员可以用里面的温巾等物品进行清洁。大小便收集装置这次也是首次使用。

  提高航天员安全性的改进:对航天员的坐椅缓冲器进行了重新设计,使返回前坐椅提升后航天员可以看到舷窗外的情况。研制成功了返回舱与轨道舱之间的舱门密闭快速自动检测装置。研制出一种专用抹布,这种布不产生纤维、静电、异味,专门用来清洁舱门。

  起飞命令发出后,火箭一级发动机和4个助推发动机同时点火,发射方位角103度。主要飞行程序为:火箭飞行约120秒逃逸塔分离,约137秒助推器分离,约159秒火箭一、二级分离,约200秒整流罩分离,约461秒二级主发动机关机,约584秒游机发动机关机,船箭分离,飞船入轨。飞船进入倾角42.4度、近地点高度200公里、远地点高度346.8公里的椭圆轨道。飞船建立轨道运行姿态,展开推进舱上的太阳能电池阵,对太阳定向,并在第5圈实施变轨,进入高度343公里的圆轨道飞行。

  载人飞船的主要返回程序是:在返回的前一圈,由地面测控站向飞船注入返回制动参数。飞船偏航调姿90度,轨道舱与飞船分离。再偏航调姿90度并制动进入返回轨道,下降至140公里高度,推进舱与返回舱分离,返回舱再入大气层,穿越“黑障区”后进入主着陆场上空,按程序开伞减速,在下降至离地面约1米左右时,着陆缓冲发动机点火工作,返回舱着陆。舱内航天员确认着陆后,发指令切掉主伞并及时与地面搜救人员联系。

  空中搜索直升机和地面搜索回收车辆对目标搜索定向。发现目标后,赶往返回舱着陆地点,协助航天员出舱,回收返回舱。

  轨道舱留轨飞行约半年,开展有关的空间科学实验和应用试验。[

  2008 年 9 月 28 日 17 时 37 分,我国航天员在顺利完成首次空间出舱任务后安全返回,神舟七号载人航天飞行取得圆满成功,我国由此成为世界上第三个独立掌握出舱活动关键技术的国家,中华民族漫步太空的梦想终成现实。这次发射引起了全国和国际社会的高度关注。以下我们以物理视分析神七在发射、运行及返回过程中涉及中学物理诸多问题。

  《1》载人飞船系统

  载人飞船构造:

  1,轨道舱呈圆桶形状,是航天员工作、生活和休息的地方。轨道舱调整了舱内布局设计以便安装应用系统设备及航天员食品和饮用水装置。轨道舱的后端底部设有舱门,航天员通过这个舱门可以进入返回舱。神舟一号至神舟六号轨道舱外部两侧装有两个像鸟儿翅膀一样的太阳电池翼,轨道舱所需要的电能就是由这两个电池翼提供的。神舟七号由于在轨返分离后,轨道舱不执行留轨测量任务,所以取消了轨道舱太阳翼。

  2,返回舱是载人飞船唯一返回地球的舱段,飞船起飞、上升到入轨及返回着陆时,航天员都在返回舱内。神舟六号的返回舱形状像钟,其舱门与轨道舱相连,航天员通过这个舱门,可以进入轨道舱。返回舱是飞船的指挥控制中心,舱内安装了航天员的座椅。飞船在起飞、上升和返回地面时,航天员躺在座椅上的。返回舱内还安装了飞行中需要航天员监视和操作的仪器设备,航天员通过这些仪表可以随时判断、了解飞船的工作情况,还可以在必要时人工干预飞船的系统和设备的工作。载人飞船的轨道舱和返回舱都是密封的舱段,舱内与外界完全隔绝,内部安装的环境和生命保障系统,将为航天员提供一个与地球环境一样的舒适生活环境。另外,还安装了供着陆用的主、备两具降落伞。返回舱侧壁上开设了两个圆形窗口,一个用于航天员观察窗外的情景,另一个供航天员操作光学瞄准镜观察地面驾驶飞船。

  《2》运载火箭系统

  神舟七号使用长征二号F火箭发射升空。火箭功能及性能满足工程总体和飞行任务要求;产品技术状态受控,研制质量良好,出现的质量问题已经全部归零或有不影响飞行任务的明确结论;完成了规定的可靠性安全性项目试验,各项准备工作满足载人航天飞行产品出厂放行准则的要求。

  长征二号F火箭

  长征2F运载火箭主要技术指标:

  飞船重量为8吨多,占船箭组合体起飞重量的六十二分之一:要把一公斤的东西送入轨道,火箭就得消耗62公斤。神舟六号飞船比神舟五号在重量上有所增加,因此发射神六的火箭也重了不少。

  火箭芯级直径为3.5米:中国铁轨轨距定为1.435米,按照这个轨距修建的铁路,能够运输的货物最宽为3.72米,去掉车厢外壳,只剩下3.5米。因此,用标准铁路进行运输的火箭最大直径只能达到3.35米。

  火箭入轨点速度为每秒7.5公里:这个速度是音速的22倍。

  火箭轨道近地200公里,远地350公里:地球半径6400公里,火箭轨道与地球的距离,为地球半径的几十分之一。

  《3》发射场系统

  载人航天发射场的基本任务是,为运载火箭、飞船、有效载荷提供满足技术要求的转载、总装、测试及运输设施;为航天员提供发射前的生活、医监、医保和训练设施;为载人飞船发射提供全套地面设施;组织、指挥、实施载人飞船的测试、发射及飞行上升段的指挥、调度、监控、显示和通信;组织、指挥、实施待发段和上升段的应急救生;完成运载火箭上升段的跟踪测量和安全控制;为航天指挥控制中心提供有关参数和图像;提供载人航天发射区的后勤服务保障

  酒泉卫星发射中心载人航天发射场

  酒泉发射场建在戈壁沙漠的绿洲上,西依山,东临河,是当年元帅亲自挑选的。至今,酒泉卫星发射中心,不在甘肃的酒泉。其实酒泉发射中心位于内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗境内,这里距离酒泉还有210公里。当时以“酒泉”命名,一是因为当时各国卫星发射场起名时均避开真实地址,二是发射场地处茫漠戈壁,很难选一个有知名度的地名,而酒泉是与发射中心距离最近,且在历史上是有名的城市。

  酒泉卫星发射中心又称“东风航天城”,是中国科学卫星、技术试验卫星和运载火箭的发射试验基地之一,是中国创建最早、规模最大的综合型、卫星发射中心,也是中国目前唯一的载人航天发射场。随着任务的变化,发射场在神七任务中不仅要为舱外航天服提供测试环境和技术保障,还要重新制定测试和发射流程,把舱外航天服与飞船的联试、舱外航天服与火箭的联试等纳入测试流程。

  《4》测控通信系统

  在“神舟”飞船七大系统中,测控与通信至关重要。如果航天器好比是风筝,测控站和分布在三大洋的远洋测量船就是牵住风筝的那一根线,地面的控制系统就像放风筝的人,测控与通信总体方案设计水平的高低,直接关系着载人航天工程的成败测控通信系统

  。中国航天器测控系统已经形成了以西安卫星测控中心为中枢,以十多个固定台站、活动测控站和远望号测量船为骨干的现代化综合测控网。在载人航天工程中,中国的飞船测控系统使用了统一S波段系统,通过同一套发射机和天线系统、接收设备发送或接收遥测和遥控信号以及话音和电视信号。探月的号角吹响后,中国的航天测控网又开始建设探月测控系统,月球探测二期工程将建设35米口径天线深空测控网,提高中国深空测控的能力。未来中国还将进一步加强深空测控领域的国际合作。

  《5》着陆场系统

  飞船着陆场系统是指担负对飞船再入轨迹的捕获、跟踪和测量,搜索并回收返回舱,以及对航天员出舱后进行医监医保、医疗救护和紧急后送等相关分系统的总称。

  着陆场是中国载人航天工程新增加的一个系统。着陆场系统的主要任务是:飞船在太空飞行后,从返回舱再入大气层开始,利用先进的无线电测量系统,对目标进行捕捉、分析和落点预报,然后组织迅速逼近返回舱,并且对返回舱进行处置,且将其安全运回基地。着陆场系统还包括:飞船上升段陆上和海上应急返回搜救分系统,在海上救生区部署了专门的打捞救生船和直升机,配备了能在复杂海况下打捞漂浮在海面上的返回舱的设备。当然,飞船的着陆场不是像跳伞员降落地点那样,在一块平坦的地面上画个圈,做个明显标志,跳伞员自己控制降落伞,落到里面就行了的。飞船着陆场的选择远不是这样简单,而且它的建设是一个非常复杂的系统。