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宇宙飞船是人类进行空间探索的重要设备,当飞船升空进入轨道后,由于各种原因经常会出现不同程度的偏离轨道现象。离子推进器是新一代航天动力装置,也可用于飞船姿态调整和轨

网友投稿  2022-12-04 00:00:00  互联网

◎ 题目

宇宙飞船是人类进行空间探索的重要设备,当飞船升空进入轨道后,由于各种原因经常会出现不同程度的偏离轨道现象。离子推进器是新一代航天动力装置,也可用于飞船姿态调整和轨道修正,其原理如图1所示,首先推进剂从图中的P处被注入,在A处被电离出正离子,金属环BC之间加有恒定电压,正离子被BC间的电场加速后从C端口喷出,从而使飞船获得推进或姿态调整的反冲动力。
假设总质量为M的卫星,正在以速度V沿MP方向运动,已知现在的运动方向与预定方向MN成θ角,如图2所示。为了使飞船回到预定的飞行方向MN,飞船启用推进器进行调整。

已知推进器BC间的电压大小为U,带电离子进入B时的速度忽略不计,经加速后形成电流强度为I的离子束从C端口喷出,若单个离子的质量为m,电量为q,忽略离子间的相互作用力,忽略空间其他外力的影响,忽略离子喷射对卫星质量的影响。请完成下列计算任务:

(1)正离子经电场加速后,从C端口喷出的速度v是多大?
(2)推进器开启后飞船受到的平均推力F是多大?
(3)如果沿垂直于飞船速度V的方向进行推进,且推进器工作时
间极短,为了使飞船回到预定的飞行方向,离子推进器喷射
出的粒子数N为多少?                                              

◎ 答案

(1)v=;(2)=I;(3)N="MΔV/mv" =

◎ 解析

(1)qU =mv2               v=  ……………………………………(1分)
(2)(共4分)以t秒内喷射的离子(nm)为研究对象,应用动量定理有:
·t=nmv……………………………………………………(1分)
又∵I="nq/t" …………………………………………………………(1分)
=I(为nm受到的平均冲力)………………………………(1分)
∴由牛顿第三定律知,飞船受到的平均反冲力大小也为I………(1分)
(3)(共7分)
 
飞船方向调整前后,其速度合成矢量如图所示(2分):
ΔV=Vtanθ……………………………………………(1分)
∵系统总动量守恒     (而且:M >>N m
MΔV=N m v ……………………………………………(1分)
N="MΔV/mv" =………………………………(3分)
题型】计算题

◎ 知识点

    专家分析,试题“宇宙飞船是人类进行空间探索的重要设备,当飞船升空进入轨道后,由于各种原因经常会出现不同程度的偏离轨道现象。离子推进器是新一代航天动力装置,也可用于飞船姿态调整和轨…”主要考查了你对  【带电粒子在电场中的加速】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。



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