专题08 神舟飞船中的变轨问题【聚焦前沿】神舟飞船中的物理（高中版）

专题08 神舟飞船中的变轨问题 神舟飞船为什么要变轨 新华社北京10月12日电（李筱梅 田兆运 孙彦新）神舟六号飞船飞行到第５圈时，在地面指挥控制中心的控制下，由椭圆轨道转变为近圆轨道。这是此次神舟六号载人飞船在轨飞行过程中一个非常重要的测控事件。在此前的神舟二号到神舟五号的４次飞行试验任务中也都对飞船实施了变轨。那么，神舟飞船为什么要变轨呢？ 据航天器轨道计算专家刘迎春博士介绍，神舟飞船与火箭分离后，进入预定轨道入轨点的高度大概为250公里，但是，由于飞船这时仍保持着较高的飞行速度，因此，它并不是在250公里高度做圆轨道运行，而是在近地点250公里到远地点350公里的椭圆轨道上运行。 “飞船之所以要改变运行轨道，主要是为了自主应急返回，”刘迎春说，飞船变为圆轨道后，在第一、第三、第五天的运行轨迹基本是重复的，按照设计方案，在这种情况下，便于飞船返回主着陆场。同时，圆轨道的自主应急返回方案相对于椭圆轨道来说，要更加便于设计。 “最早在神舟一号上采用的是椭圆轨道，但那时只飞一天，”刘迎春说，在椭圆轨道上高度和速度都有变化，每个点的数据差异比较大，返回时方案设计较为困难。飞船变轨的实现，是由指挥控制中心向飞船发送指令，通过控制飞船上的发动机的工作时间来修正飞船轨道，使原来的椭圆形接近圆形。 相关习题 一、单选题 1．（2021·四川雅安市·雅安中学）在完成各项既定任务后，“神舟九号”飞船于2012年6月29日10时许返回地面，主着陆场位于内蒙古四子王旗地区。如图所示，飞船在返回地面时，要在P点从圆形轨道I进入椭圆轨道II，Q为轨道II上的一点，M为轨道I上的另一点，关于“神舟九号”的运动，下列说法中正确的有（　　） A．飞船在轨道II上经过P的速度大于经过Q的速度 B．飞船在轨道II上经过P的速度小于在轨道I上经过M的速度 C．飞船在轨道II上运动的周期大于在轨道I上运动的周期 D．飞船在轨道II上经过P的加速度小于在轨道I上经过M的加速度 【答案】B 【详解】 A．根据开普勒第二定律可知，近地点速度大于远地点速度，飞船在轨道II上经过P的速度小于经过Q的速度，故A错误； B．在轨道Ⅱ上经过P点时加速，飞船进入轨道Ⅰ，所以在轨道Ⅱ上经过P的速度小于在轨道Ⅰ上经过P的速度，即飞船在轨道Ⅱ上经过P的速度小于在轨道Ⅰ上经过P的速度，又飞船在轨道Ⅰ上做匀速圆周运动，故在轨道Ⅱ上经过P的速度小于在轨道Ⅰ上经过M的速度，故B正确； C．根据开普勒第三定律知，椭圆轨道的半长轴小于轨道Ⅰ的半径，所以飞船在轨道Ⅱ上运动的周期小于在轨道Ⅰ上运动的周期，故C错误； D．P点、M点到地球的距离相等， ，故飞船在轨道II上经过P的加速度等于在轨道I上经过M的加速度，故D错误。 故选B。 2．（2021·沙坪坝区·重庆南开中学高一期中）一艘绕地球飞行的宇宙飞船，经历了从轨道1→轨道2→轨道3的变轨过程.若轨道1为地球的近地卫星轨道，已知引力常量为G，下列说法正确的是（　　） A．飞船在轨道2上运行时，飞船经过P点（近地点）时的速度小于飞船经过Q点（远地点）时的速度 B．飞船在轨道1上的机械能大于飞船在轨道3上的机械能 C．飞船在轨道2上经过P点的加速度大于飞船在轨道1上经过P点的加速度 D．若飞船在轨道1上运行的周期为T，则地球的平均密度为 【答案】D 【详解】 A．由 得 因为P点的半径小，所以飞船在轨道2上运行时，飞船经过P点（近地点）时的速度大于飞船经过Q点（远地点）时的速度，故A错误； B．由于飞船在轨道1上需要加速运动变轨到轨道3，所以飞船在轨道1上的机械能小于飞船在轨道3上的机械能，故B错误； C．飞船在轨道2上P点和在轨道1上P点都由万有引力提供向心力，加速度大小相同，故C错误； D．由 联立可解得 故D正确。 故选D。 3．（2019·新疆乌市八中高二月考）如图所示，假设月球半径为R，月球表面的重力加速度为g0，飞船在距月球表面高度为3R的圆形轨道Ⅰ上运动，到达轨道的A点点火变轨进入椭圆轨道Ⅱ，到达轨道的近月点B再次点火进入近月轨道Ⅲ绕月球做圆周运动。则（　　） A．飞船在轨道Ⅰ上的运行速度为 B．飞船在A点处点火时，速度增加 C．飞船在轨道Ⅰ上运行时通过A点的加速度大于在轨道Ⅱ上运行时通过A点的加速度 D．飞船在轨道Ⅲ上绕月球运行一周所需的时间为 【答案】D 【详解】 A．飞船在轨道I上运行时，根据万有引力等于向心力得 在月球表面上，根据万有引力等于重力，得 解得：飞船在轨道Ⅰ上的运行速度为 故A错误； B．飞船在A点处点火时，是通过向行进方向喷火，做减速运动，向心进入椭圆轨道，所以点火瞬间是速度减小的，故B错误； C．在轨道Ⅰ上通过A点和在轨道Ⅱ上通过A点时，其加速度都是由万有引力产生的，而万有引力相等，故加速度相等，故C错误。 D