高中物理知识在航空航天领域的应用初探
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作者:郑杰
【摘 要】在科学技术快速发展的过程中，人们对航空航天领域的探索也在不断拓展，多种探测器的研发为宇宙探索提供了技术保障。当前，我国航天航空领域技术已占据世界前列。本文主要分析研究了高中物理知识在航空航天领域的应用，希望能使高中生更扎实地掌握相关物理知识，提高学习兴趣，为工作实践奠定基础。
【关键词】高中物理知识;航空航天;应用分析
我国在航空航天领域的发展速度不断加快，载人飞船的研发标志着我国全面进入新的宇宙探索时期。对于高中生来说，应当充分认识到技术进步对国家发展的意义，特别是航空航天领域的发展，标志着国家科技水平的层次高下。在高中物理知识体系中，惯性定律及万有引力定律等均属航空航天技术研发应用的高中物理知识。因此，通过具体分析高中物理知识在航空航天领域的应用，既能增加高中生物理知识的储备量，也可使同学们认真钻研，增强学好物理学的荣誉感。
1.高中物理知识与航空航天领域的关联性
在我国航空航天领域快速发展背景下，高中课本与相关考试中也出现了大量与航空航天有关的知识和试题，由此可以看出，物理知识在科技发展中的作用和价值。在对高中物理知识体系进行梳理时能够看出，能量守恒、电磁学、力学以及运动学等知识均与航空航天领域存在一定关联性。
比如，我国航空航天领域的卫星发射，会涉及到作用力原理及万有引力等物理知识，并在此基础上进一步深化。因航空航天属于高度融合科技，在研发过程中需要以高中物理知识应用为基础，结合大量现代技术和理论知识，高中学生不应满足于书本，要学会打牢基础，用延伸学习来拓宽视野。
再比如，通过钻研遥感技术、计算机技术、电子技术等，可为高中生心头的航天梦增砖添瓦。以上技术原理学习，都需高中物理知识做支撑。譬如，高中物理电磁学的学习，能使同学们认识和掌握电力基础资源对航空航天的支持和铺垫，从而增强研究高效电力、电子的信心，促进国家高新技术向深层次发展。
2.高中物理知识在航空航天领域的应用
2.1天体质量与密度计算
航空航天领域，在计算天体质量与密度时，主要应用高中物理中的开普勒行星运动定律。开普勒轨道与面积定律表面天体运行轨迹与规律，行星绕着太阳运动的轨迹均为椭圆形，太阳处于椭圆的焦点。所有行星与太阳之间的连线所扫过的面积相等，这就表明在近日点运动速率比较大，远日点运动速率比较小。开普勒第三定律为运动周期定律，围绕行星的轨道半长轴次方与公转周期平方比值相同。从天体表面应力加速度与半径关系中能够获取天体密度与质量，此时，万有引力与中心力相同，能够计算出中心天体质量。当天体周边卫星轨迹围绕天体轨迹展开，轨道半径就是天体半径，进一步可得知天体的密度。当围绕天体运行的卫星运行轨迹为已知数值，此时就能获取中心天体密度。
其次，由于高中物理知识中包含功与能等知识点，在航空航天技术中，功与能结合万有引力，能使学生更深刻地理解高中物理知识与航空航天技术的关联性。所以，深入了解和掌握功与能之间的有效转换、明确能量守恒定律的适用范围显得非常重要。在天体运行过程中，涉及的物理知识较多，比如航天器进入太空之后，会产生第一、第二、第三宇宙速度，此时就可解决天体运行。这些知识需要进行不断延伸学习。
2.2选择飞船发射位置
通过对我国卫星发射位置的分析可以看出，发射地区多选择在纬度较低的地区。通过高中物理知识体系得知，大部分轨道卫星是小轨道倾角卫星，若选择倾度较高的地区发射，需要较大能量实现横向机动，此时就会出现运载火箭发射困难的问题。为防止出现这种不可回避的隐忧，需优先选择纬度较低的地区。
我国现有卫星发射中心都位于不同纬度范围内，使卫星发射轨道具有多种选择性。宇宙飛船选择在纬度较低的区域内发射，可通过地球自转线速度加快飞船速度，避免到达逃逸位置前已消耗大量燃料的情况，从而显著提升飞船的运载能力。在发射地球同步卫星时，应将赤道作为最大发射纬度。
2.3航天器变姿与变轨运动
在将航天器送入太空后，为降低燃料消耗，需要分离航天器与运载火箭。此时，航天器需要利用发动机与燃料实现变姿、变轨运动。例如，航天器从低轨道进入到高轨道时的横滚变姿。
（1）低轨道—高轨道物理原理：按照物理定义能看出，航天器从低轨道向高轨道行驶过程中会增加势能。由高中能量守恒定律可知，利用外力能将能量提供给航天器，此时需提升发动机速度，使其消除低轨道受力平衡状态，促其进入高轨道中。但是，到达预设轨道后，通过万有引力公式可知，航天器进入高轨道时会使万有引力减小，所以为确保受力平衡，应使运动离心力与轨道万有引力一致。
此种条件下，按照能量守恒定律可进行以下计算：
在（1）式和（2）式中，G—引力常量;r—航天器与地心距离;M—地球质量。随着航天器与地心距离持续增大，会减小航天器线速度。以此证明，航天器进入高轨道之后，需要通过反向发动机实现减速，确保航天器处于受力平衡状态。
（2）调整航天器姿态：从天宫一号与神舟飞船对接直播视频能够看出，操作显示器上存在两条十字交叉线，该交叉线主要对天宫一号与神舟飞船对接姿态标准线进行观察。操作人员通过对准十字交叉线中心，之后启动飞船发动机，以此促进飞船滚动，使两个十字交叉线重合。
姿态匹配效果，会对天宫一号与神舟飞船对接造成直接影响;所以，操作人员需要优化调整航天器滚动姿态。为降低燃料消耗量，需经航天器中心发动机进行开动连线，使发动机推力方向相反，此时将航天器视为质点，按照力矢量合成能明确角加速度。航天器按逆时针旋转方向形成线速度，在十字交叉线靠近预定状态。
飞船在滚动至一定角度时，会使航天器两个发动机反向开启。此时，就会形成与旋转线速度相反的线加速度，降低航天器线速度。在两条十字交叉线重叠之后，操作人员进行天宫一号与神舟飞船对接。
2.4宇航服中的高中物理知识应用
由于太空属于真空环境，人类若无防护措施，将不能存在于太空中，所以为确保宇航员安全，进入太空时需穿戴专门的宇航服，在设计宇航服时应用了大量高中物理学知识。宇航服首层为特殊材质功能层，由于太空环境比较复杂，为了确保宇航员安全，应当确保防辐射和防磨损。在太空环境中存在多种辐射源，会危害宇航员安全。所以，在设计宇航服时，需要将镀铝材料作为首层材料，以此抵抗宇宙辐射。
宇航服第二层是气密层，宇航员在无防护状态下进入太空环境时，会导致体内气体膨胀，肌体血液出现沸腾。因此，在设计宇航服时，需通过加压气密方法稳定其内部气压。在气密层约束下，确保宇航服不会因气压差出现变形。
宇航服第三层为隔热层，由于太空环境内温度差会高达上百摄氏度，不同位置所受的太阳辐射也不同，此时就会加大温度差。为处理该项问题，可通过高中物理中的水比热容知识稳定温度变化，以此确保宇航员能够在适宜温度下进行操作。
3.结束语
综上所述，将高中物理知识应用到航空航天领域，可以有效处理各种疑难问题。通过对航空航天知识的深入探索，会涉及较多更深的物理专业知识，以此提升高中生对物理知识的兴趣度;其次，将高中物理知识应用于航空航天上，能够培养同学们的实践操作能力，不断完善和优化物理知识体系。
【参考文献】
[1]冯柏赫.浅谈航空航天领域中运用的物理学知识[J].中国新通信，2019，21（03）：203
[2]黄泽远.高中物理知识在航空航天领域应用探究[J].科技视界，2018，25（34）：228-230
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