联系“神舟五号”物理问题解析

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联系“神舟五号”物理问题例析

山东 荆长城



2003年10月15日，我国宇航员杨利伟乘坐我国自行研制的载人飞船成功发射，这标志着我国的航天事业发展到了很高的水平，成为世界上第三个载人飞船上天的国家。

一、.为了使飞船顺利升空，飞船需加一个加速过程，在加速过程中，宇航员处于超重状态。人们把这种状态下宇航员对座椅的压力与静止在地球表面时的重力的比值，称为耐受力值，用k表示。在选拔宇航员时，要求他在此状态的耐受力值为4k12，（这次飞行杨利伟的k值约为10），求飞船在竖直向上发射时加速度值的变化范围。

二、若飞船绕地球运行的轨道离地面高度为400km，已知地球半径为6400km，地球表面重力加速度g=10m/s，求此飞船的速度。（保留三位有效数字） 答案与提示：对座椅的压力为FNkmg，据牛顿第二定律FNmgma，a(k1)g，

Mmv2所以30m/sa110m/s，卫星的向心力由万有引力提供，G2m，其中

rr

2

2

Mm

r=6800km，又因G2mg，所以v

R

gR2

7.76km/s。 r



三、2003年10月16日早，在太空遨游14圈的“神舟五号”载人宇宙飞船返回舱按预定计划，安全降落在内蒙古中部草原。这是我国第一次成功发射载人宇宙飞船，杨利伟成功的完成了飞行任务，被称为“中国太空第一人”。这是中国儿女的骄傲，必将激发我们进一步学习科学知识的信念，勇攀科学颠峰的斗志。

已知“神舟五号”飞船在返回时先要进行姿态调整，飞船的返回舱与留轨舱分离，返回舱以大约8km/s的速度进入大气层，当返回舱距地面30km时，返回舱上的回收发动机启动，相继完成拉出天线、抛掉底盖等一系列动作。在飞船返回舱距地面20km时，速度减为200m/s而匀速下降，此阶段重力加速度为g，返回舱所受空气阻力为f

12

vs，其中为大气2

的密度，v是返回舱的运动速度，s为阻力面积。当返回舱距地面高度为10km时，打开面积为1200m2的降落伞，直到速度达到8.0m/s后匀速下落。为实现软着陆（即着陆时返回舱的速度为0），当返回舱离地面1.2m时反冲发动机点火，使返回舱软着陆，返回舱此时的质量为2.7×103kg,取g=10m/s2。

求：1.用题目所给字母表示返回舱在速度200m/s时的质量表达式。

2.分析打开降落伞到反冲发动机点火前，返回舱的加速度和速度的变化情况。 3.求反冲发动机的平均反冲推力的大小和反冲发动机对返回舱做的功。 解：1.当返回舱以200m/s匀速下降时，根据平衡条件得

sv212

mgvs0 得m。

2g2

2.打开降落伞后，因s增大，速度v减小（但s增大的比v减小的快），使得阻力f增大，加速度a

fmg

，方向向上（fmg）且增大，所以向下的速度不断减小，当速度减小m

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得较快后，向上的阻力将减小，使得向上的加速度也减小，直到速度减为8.0m/s后再次匀速下落。

3.当返回舱离地面1.2m时反冲发动机点火，它将向下匀减速运动直到软着陆。根据公式0v02ah，得a

2

80

m/s2 3

4

根据牛顿第二定律，mgfma得反冲力大小为f9.910N。 根据动能定理，mghWf0

12

mv0， 2

Wf1.2105J。

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