Question

航天动力学的力学综述

Answer 1

英语：astrodynamics
研究航天器和运载器在飞行中所受的力及其在力作用下的运动的学科，又称星际航行动力学。航天动力学研究的运动包括航天器的质心运动，称轨道运动；航天器相对于自身质心的运动和各部分的相对运动，称姿态运动；以及与航天器发射、航天器轨道机动飞行有关的火箭运动。航天器的飞行过程一般分为三个阶段。②运行轨道段：航天器主要在万有引力等自然界外力作用下运动。为了保持预定的轨道，有时需要少量的推力;有时为了轨道机动则需要较大的推力。③降落轨道段：一些航天器需要返回地球表面或者降落在目标天体的表面。这时航天器在火箭推力和介质阻力等作用下，离开运行轨道降落到天体表面。在以上各个阶段中，航天器的运动都包含了轨道运动和姿态运动两个部分。在运行轨道段，一般可以将两种运动分别求解。而在发射段和降落段，两种运动关系密切，需要联立求解。研究航天器的运动是以牛顿力学和火箭力学为基础的，一般不考虑相对论效应。航天动力学以数学、力学、控制理论为基础。它的研究内容分为轨道运动、姿态运动和火箭运动三个部分。
人造地球卫星是围绕地球、在太空轨道上运行的物体，它们的运行状态与地球围绕太阳在太空轨道上的运行是相似的。它们所处的状态与我们在地球表面生活的状态，最大的不同就是失重！航天理论知识说：失重是“物体在引力场中自由运动时，有质量而不表现重量的一种状态，又称零重力。失重有时泛指零重力和微重力环境。”“航天器在环绕地球运行或在行星际空间航行中，处于持续的失重状态。在环绕地球运行的轨道上，实际上只有航天器的质心处于零重力，其他部分由于它们的向心力与地球引力不完全相等，而获得相对于质心的微加速度，这称为微重力状态。航天器上轨道控制推进器点火、航天员的运动、电机的转动、微小的气动阻力等，都会使航天器产生微加速度。因此，航天器所处的失重状态，严格说是微重力状态。航天器旋转会破坏这种状态。”人们在电视里看到了在空间站中宇航员的自由飘浮，应该想到空间站同样处于失重状态。同样的道理再扩展一下，在空间轨道上运转的地球，也同样处于失重状态！“在失重状态下，人体和其他物体受到很小的力就能飘浮起来。”如果航天动力学专家们在这段话的后面再加上一句：在失重条件下，地球只要受到很小的力的影响，同样可以发生飘浮状态下的翻转运动现象。那么我们可以更早一点认识到，地球自转轴会发生调适性翻转这个自然现象了。而我们只能带有遗憾的说：地球翻转运动是航天动力学专家失之交臂的科学发现。
在地球上生活的人们，无论哪一天，无时无刻都受到重力的作用，所以人无论在东半球，也无论在西半球，无论在北半球，也无论在南半球都是脚朝向地心，而向上站立着。正因为如此，人们在考虑许多事情的时候，总是离不开物体有重量的特定思维。可是，空间科学范畴的轨道卫星的运动，其运动的力学状态和机制，不能够仅仅用万有引力的知识去思考，还必须加上用失重状态下的航天动力学知识才能够解释清楚。许多学者不能够接受地球翻转的新发现，就是因为总是习惯用万有引力和重力状态去思考问题。要创新，就必须有全新的思考方式和全新的思路。
在轨道上运转的卫星，无论他们的原始重量如何，其实都象气球一样在太空轨道上漂浮着运转。正因为是一种失重状态，所以在运转过程中，常常出现非自转运动以外的意想不到的翻滚。例如1958年美国第一颗卫星“探险者1号”，由于其四根鞭状天线的振动耗散了很多能量，在正常工作了一段时间以后，出现了意想不到的卫星翻滚现象，导致任务失败。1973年4月3日苏联发射礼炮2号空间站。空间站入轨不久，姿态控制系统发生故障，发生空间站翻滚，最后爆炸成25块碎片。1998年5月19日，位于北美西经99度赤道上空的银河－4通信卫星突然发生严重故障，星上姿控系统控制处理器失效，导致卫星翻滚，卫星停止工作。对于“美国‘探险者’1号卫星在飞行中出现的事先没有预计到的翻滚运动，后来的分析结果表明，问题出在卫星内活动部件的运动上。只要放弃理想刚体的假设，代之以准刚体，即内部有能量耗散的近似刚体模型，就能解释所观察到的现象。”地球作为在绕日轨道上运转的行星，它类似于没有姿态控制器的轨道卫星，它的自转轴是否会出现意想不到的突发性自然翻滚现象呢？学者和读者们都可以自己掩卷思考一下。笔者只是在极力收集地球翻转现象留存下来的，各种可以作为证据的现象和资料，并不是一定利用公式来推演自然界实际存在的变化现象。
对于轨道卫星自转轴的翻转现象，航天动力学专家们是这样说的。刚体动力学证明：“当刚体绕最大主惯量轴或最小主惯量轴自旋时，都具有陀螺定轴性。但是，实际的卫星不是刚体。卫星包含弹性部件，并装有姿态控制和轨道控制所需要的液体燃料。这会引起卫星中弹性部件振动和液体燃料在燃料箱内晃动，这些运动都要消耗卫星的转动动能，卫星的运动终将趋于最小动能状态。在角动量守衡的情况下，最小动能状态就是卫星绕最大主惯量轴旋转的状态。也就是说，当卫星绕最小主惯量轴自旋，且有内部机械能耗散时，标称自旋轴将在空间翻转。”象地球这种有气圈、水圈和液态外核的天然卫星，由于地球内核的异常运动、两极冰盖的不均匀扩大和缩小、海水频繁的潮起潮落、地球自己的不均匀地膨胀和收缩、人们从地下深处大量采挖矿产品和不均衡的运输集中、地外物体的撞击等等地内、地外的因素影响，必然有内部机械能的耗散。其动能状态会发生变化，转动惯量也同样会表现在最大主惯量轴、中间主惯量轴、最小主惯量轴三个轴的积累性变化上。从而在到达某一个关键时刻，发生标称自转轴的空间翻转，就会成为不可避免的运动现象了。
借用航天动力学的理论，地球一方面要保持最小动能状态，也就是它绕最大主惯量轴旋转的状态，可是自转等运动又在逐渐破坏着它希望保持的最小动能状态。这一对矛盾的更迭和转化，造就了地球自转轴必然在空间发生调适性翻转运动。这种翻转运动在理论上应该是90度，实际上还会有一个较小数量级别的加减。这种翻转运动发生的周期是或长或短的、但是又确实是经常发生的运动现象。应该说地球自转轴发生翻转，是天然卫星在自然运动状态中的一种正常的调适变动，也是在认识自然的过程中，被科学界忽视的一个“漏洞”。当然，地球能否确实发生自转轴的突发性快速翻转？每一次翻转多少角度？翻转速度是多少？应该由航天动力学专家来详细论证。本文只是从现象出发，对地球翻转现象提出一种新的思考。而这种思考不是漫无目标的胡思乱想，是有数学、物理学、力学基础，有坚实的地质学资料积累，也有从全新角度解析的、历史古籍记载的多种综合证据的。