Question

宇宙飛船是人類進(jìn)行空間探索的重要設(shè)備，當(dāng)飛船升空進(jìn)入軌道后，由于各種原因經(jīng)常會出現(xiàn)不同程度的偏離軌道現(xiàn)象。離子推進(jìn)器是新一代航天動力裝置，也可用于飛船姿態(tài)調(diào)整和軌道修正，其原理如圖1所示，首先推進(jìn)劑從圖中的P處被注入，在A處被電離出正離子，金屬環(huán)B、C之間加有恒定電壓，正離子被B、C間的電場加速后從C端口噴出，從而使飛船獲得推進(jìn)或姿態(tài)調(diào)整的反沖動力。

假設(shè)總質(zhì)量為M的衛(wèi)星，正在以速度V沿MP方向運動，已知現(xiàn)在的運動方向與預(yù)定方向MN成θ角，如圖2所示。為了使飛船回到預(yù)定的飛行方向MN，飛船啟用推進(jìn)器進(jìn)行調(diào)整。

已知推進(jìn)器B、C間的電壓大小為U，帶電離子進(jìn)入B時的速度忽略不計，經(jīng)加速后形成電流強度為I的離子束從C端口噴出，若單個離子的質(zhì)量為m，電量為q，忽略離子間的相互作用力，忽略空間其他外力的影響，忽略離子噴射對衛(wèi)星質(zhì)量的影響。請完成下列計算任務(wù)：

（1）正離子經(jīng)電場加速后，從C端口噴出的速度v是多大？

（2）推進(jìn)器開啟后飛船受到的平均推力F是多大？

（3）如果沿垂直于飛船速度V的方向進(jìn)行推進(jìn)，且推進(jìn)器工作時

間極短，為了使飛船回到預(yù)定的飛行方向，離子推進(jìn)器噴射

出的粒子數(shù)N為多少？                                              

Answer 1

（1）v=；（2）=I；（3）N=MΔV/mv =

解析:

（1）qU =mv²                v=  ……………………………………(1分）

（2）（共4分）以t秒內(nèi)噴射的離子（nm）為研究對象，應(yīng)用動量定理有：

   ·t=nmv……………………………………………………(1分）

又∵ I=nq/t …………………………………………………………(1分）

∴=I（為nm受到的平均沖力）………………………………(1分）

∴由牛頓第三定律知，飛船受到的平均反沖力大小也為I………(1分）

（3）（共7分）

 

 飛船方向調(diào)整前后，其速度合成矢量如圖所示(2分）：

∴ ΔV=Vtanθ……………………………………………(1分）

∵ 系統(tǒng)總動量守恒      （而且:M >>N m）

∴ MΔV=N m v ……………………………………………(1分）

∴ N=MΔV/mv =………………………………(3分）

題型】計算題