嫦娥三号与物理

科学探索

2013年12月2号嫦娥三号发射取得圆满成功！这标志着我国的航空航天技术又迈进了一大步。 1. 安光所技术护航嫦娥三号成功软着陆

素材呈现

中科院合肥物质科学研究院院安光所在此次登月任务中承担

“7500N变推力发动机羽流对CE-3激光敏感器影响分析”课题任务，为嫦娥三号在月球虹湾区成功实现软着陆，发挥了重要技术保障作用。

嫦娥三号软着陆，是从15公里高度开始，在11分钟的落月过程中，依靠自主控制，通过一台7500N变推力发动机在落月运动的反方向作用下实现减速，历经了主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速段等6个阶段。在距离月面100米高度时，探测器暂时停下脚步，利用发动机的反推力作用悬停，

使用激光测距敏感器和三维成像敏感器获取月面区域的激光三维图像，以躲避障碍物为安全软着陆选择合适地点。

安光所大气光学研究中心自2009年承担7500N变推力发动机羽流对激光敏感器影响的研究工作以来，通过理论分析、数值仿真和地面实

验验证，细致分析论证了

1500N至7500N变推力发动机羽流场对嫦娥三号激光敏感器的测距和三维成像精度的影响，为激光敏感器的测距和月表激光成像校正，以及嫦娥三号安全着陆点的选择提供了技术保障。

学科点拨

激光测距敏感器激光测距仪测量距离,其中有一种方法是脉冲法。脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。,

即

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2.γ关机敏感器准确关闭发动机 嫦娥三号翩然落月

素材呈现

嫦娥三号探测器软着陆在月球虹湾区域，举世瞩目、振奋人心。中国航天科工三院研制的γ关机敏感器在落月的最后时刻发挥了关键作用，准确发出了关闭发动机指令，使嫦娥三号在历经数天的“奔月”旅程和环月飞行之后，平稳地降落在月球上。

我国探月工程一期嫦娥一号、嫦娥二号已成功“绕月”飞行，完成了对月球探测的第一步。嫦娥二号月球探测确定了“虹湾”作为首次落月地点，这是探月工程第二步的起始点。要真正实现我国航天器踏上月球，必须突破月面“软着陆”控制技术，其中落月高度控制尤为关键。当嫦娥三号从环月飞行转到月面着陆工作阶段时，通过开启发动机控制自身向月球缓慢下降，随着落月过程的开始，置于嫦娥三号底部的γ关机敏感器便实时测量嫦娥三号与月面的距离。当γ关机敏感器探测到距月面数米高度时，发出关机指令关闭轨控和姿控发动机。这个关机指令的发出，是实现“嫦娥落月”的关键动作，这一瞬间，决定着“落月”任务的成败。随着发动机反推力的撤离，探测器将在月球引力作用下(相当于地球的1/6)以自由落体的方式着陆，踏上月球。嫦娥落月，关闭发动机的高度至关重要。为了确保嫦娥三号在月面实现“软着陆”，要求γ关机敏感器在近月环境下精确测距，精准控制，一次成功。

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学科点拨

当嫦娥三号在轨道上运行时,速度是近月环绕速度,近似为匀速圆周运动,

万有引力等于此时圆周运动的向心力,当反推力发动机工作减速,嫦娥三号做减速运动,接近月球表面; 要使飞船改变轨道降落月球,首先必须降低速度,这时, 通过开启发动机控制自身速度, 通过发动机反向喷气，产生反向作用力，减速运动，利用月球引力向月球缓慢下降,此为轨控发动机。

下降过程需要不断调整飞船姿态，这需要开启姿控发动机，即飞船侧面的小喷气发动机，也是利用反冲作用，产生反向加速度，调整姿态。喷气的角度和喷气功率决定卫星的姿态调整。

悬停时,反推力发动机喷口向下,产生竖直向上的推力,此时推力变为大小等于嫦娥三号在乐曲表面的重力,处于受力平衡状态,接着低速向下移动,当接近4m时，关闭发动机，让嫦娥三号做自由落体运动，由于月球表面的重力加速度较低，所以落地速度并不大。

学以致用【原创试题】

1.2013年 12月14日晚，质量约为4吨的嫦娥三号距月球表面100米高处开启最大7500牛变推力发动机，嫦娥三号悬停，三维成像相机工作，避开障碍月球表面的重力加速度

A.此时推力是4×104N

B. 此时推力是7500N

C. 此时推力是1250N ,地表重力加速度g=10m/s2。

D. 此时推力是

8.答案：D

解析：月面，物体处于静止状态，重力等于反推力，又月面重力是地面重力的六分之一。

2. 2013年 12月14日晚，质量约为4吨的嫦娥三号在月球表面成功实施软着陆。若嫦娥三号利用的变推力发动机最大推力7500N工作，在近月点处逐渐减速，月球表面的重力加速度。

（1） 若发动机的喷口水平向前，则发动机推力对嫦娥三

号产生的加速度为多少？

（2） 若发动机的喷口水平向前，则嫦娥三号的实际加速

度为多少？

解析: (1)根据解得: ;

(2)在月球表面重力

,解得加速度=6667N,水平推力. ,可得合力

3．2013年12月2日，由于嫦娥三号探测器将直接被发送至近地点约200公里，

远地点约38万公里的地月转移轨道。则卫星发射一定速度 （ ）

A．小于7.9km/s B．大于7.9km/s，小于11.2 km/s

C．大于11.2 km/s D．大于11.2 km/s，小于16.7 km/s 答案：B 解析：地球最小的发射速度是7.9km/s，第二宇宙速度是11.2 km/s，速

度介于两者之间，卫星将做椭圆运动。

4．2013年12月2日，由于嫦娥三号探测器将直接被发送至近地点约200公里，

远地点约38万公里的地月转移轨道，若地球半径为6400km,地面重力加速度取9.8m/s，估算卫星在近地点变轨后的向心加速度约为 （ ）

A．7 m/s2 2B．7.8 m/s2 C．9.2 m/s2 D．9.8 m/s 2答案：C解析：地球表面，在高空，两式比可得

，选项C正确。

5．携带玉兔号月球车的“嫦娥三号”在到达近月点后，将首先通过近月制动，使

探测器进入环月运行轨道，即200km高度的圆轨道，然后进行变轨，使之进入15km×200km的极月轨道(近月点距月球15km，远月点距月球200km)。

A. 200km高度的圆轨道周期大

B. 15km×200km的极月轨道周期大

C. 圆轨道200km高度处的速度大

D. 椭圆轨道200km高度处的速度大

答案:BD

解析:根据开普勒三定律可知.

6.“嫦娥三号”卫星在距月球表面200公里、周期127分钟的圆形轨道上绕月球

做匀速圆周运动。已知月球半径约为1700km，引力常量

Nm/kg，忽略地球对“嫦娥三号”的引力作用。由以上数据可以估算出的物理量有 （ ）

A．月球的质量 B．月球的平均密度

C．月球表面的重力加速度 D．月球绕地球公转的周期 答案:A 22

解析:根据环绕天体数据可以计算中心天体的质量,

项正确. ,易知A选

7．2013年12月2号，“嫦娥三号”探月卫星沿地月转移轨道到达月球，在距月

球表面200km的P点进行第一次“刹车制动”后被月球捕获，进入椭圆轨道Ⅰ绕月飞行，经过一次制动直接进入15 km的圆形轨道Ⅱ上绕月球做匀速圆周运动。则下面说法正确的是 （ ）

A．由于“刹车制动”，卫星在轨道Ⅱ上运动的周期将比沿轨道Ⅰ运动

的周期长

B．虽然“刹车制动”，但卫星在轨道Ⅱ上运动的周期还是比沿轨道Ⅰ

运动的周期短

C．卫星在轨道Ⅱ上运动的速度比沿轨道Ⅰ运动到P点（尚未制动）

时的速度更接近月球的第一宇宙速度

D．卫星在轨道Ⅱ上运动的加速度小于沿轨道Ⅰ运动到P点（尚未制动）

时的加速度

7．BC

解析：卫星沿椭圆轨道运动时，周期的平方与半长轴的立方成正比，圆形轨道可

以看成是半长轴和半短轴相等的椭圆，故卫星在轨道Ⅱ上的周期比轨道Ⅰ上的周期短，B项正确。卫星在月球附近做匀速圆周运动所具有的线速度称为月球的第一宇宙速度，故C正确；卫星沿轨道Ⅰ运动到P点（尚未制动）时所受月球的引力等于沿轨道Ⅱ运动时所受的引力，故加速度相等，D项错误。

8. 如图为我国 “嫦娥三号”月球探测器于2013年 12月2日凌晨发射成功，到达环月轨道后制动，一次性变成100km×15km这种小椭圆轨道，后经历由周期3.5小时轨道调整到周期127分钟轨道。转移过程简化过程如下：嫦娥三号在转移轨道上制动后，关闭发动机，嫦娥三号正好运行到月球北极上方的高度位置，月球将嫦娥三号捕捉，嫦娥三号环绕月球运动。假设月球对嫦娥三号的引力作用只是在嫦娥三号接近月球北极时开始起作用，此种距离下亦可以忽略地球引力，已知月球地表重力加速度g0，月球半径R。下列说法正确的是( )

A.如果制动后的速度 ，嫦娥三号将坠落月球

B.如果制动后的速度，嫦娥三号将坠落月球

C.近月点位置，嫦娥三号在127分钟轨道和3.5小时轨道的速度相同

D. 嫦娥三号在127分钟轨道的机械能大于在3.5小时轨道上的机械能

答案:B

9．2013年12月2号，“嫦娥三号”探月卫星发射升空，实现了中华民族千年奔

月的梦想。若“嫦娥三号”沿圆形轨道绕月球飞行的半径为R，国际空间站沿圆形轨道绕地球匀速圆周运动的半径为4R，地球质量是月球质量的81倍，根据以上信息可以确定 （ ）

A．国际空间站的加速度比“嫦娥三号”大

B．国际空间站的速度比“嫦娥三号”大[来源:学。科。网]

C．国际空间站的周期比“嫦娥三号”长 D．国际空间站的角速度比“嫦娥三号”小[来源:学*科*网]

9．AB 解析：万有引力提供向心力，由可得向心加速度之比，A正确；线速度之比，B正确；周期之比

[来源:Zxxk.Com]，C错；角速度之比，D错。