試論數(shù)學在航天事業(yè)中的應用

周國航

杞縣高中

試論數(shù)學在航天事業(yè)中的應用

周國航

杞縣高中

我國航天事業(yè)的發(fā)展舉世矚目，并且在最近幾年也取得了輝煌的成績。在2010年10月1日，嫦娥二號發(fā)射成功，這也標志著我國的航天事業(yè)更進一步。根據航天事業(yè)的不斷發(fā)展，相關人員了解到，數(shù)學科學和航天事業(yè)的飛速前進有著不可分離的關系，相互之間的作用也越來越明顯，這樣極大的體現(xiàn)除了數(shù)學的價值，數(shù)學不僅僅具有科學性的價值，其應用價值以及人文價值也非常突出，在現(xiàn)代學生的學習中凸顯重要。基于此，本文就對數(shù)學在航天事業(yè)中的應用進行分析，以此讓社會對數(shù)學有全新的認識。

數(shù)學；航天事業(yè)；應用；探索；分析

航天事業(yè)的發(fā)展代表著我國的綜合國力又向前一步，并且航天事業(yè)的進步也離不開教育以及科學的能力的增強。遠距離的航天最大的最突出的問題就是對各種數(shù)據的運算和科學技術的使用，其中不乏數(shù)學的價值，數(shù)學在航天事業(yè)中所起到的作用而是不容忽視的，因此在航天事業(yè)發(fā)展的過程中還需要對數(shù)學知識的運用進行分析和研究，以此促進數(shù)學知識的進一步使用，讓我國的航天事業(yè)得到大跨步的發(fā)展。以下對此進行細致的研究，希望對航天事業(yè)有一定的啟示和幫助。

一、數(shù)學在航天航空事業(yè)中的價值使用

航天事業(yè)的大跨步發(fā)展需要更多的人才供應，尤其是在數(shù)學科學領域的人才，無論是數(shù)據的應用還是具體的計算都需要數(shù)學學科。航天航空需要數(shù)學、力學以及基本飛行器設計能力突出的人才，這樣才能夠在驗算、實驗以及航天器和運載端的總體設計上更加突出。在數(shù)學學科中，主要在航天方面所發(fā)揮的價值有以下幾點：

首先，飛行器的設計原理中需要基本的數(shù)學知識，尤其是飛行器結構設計，其中所使用的幾何和微積分是必不可少的。

其次，數(shù)學中的數(shù)值算法編程也能夠解決一些數(shù)值的問題，在航天事業(yè)中常見的有復雜的非線性工程組問題，還有插值擬合。飛行器設計對這些數(shù)學知識的運用要求比較高，數(shù)學是基礎學科，學好數(shù)學才能設計更加安全穩(wěn)定的飛行器，并且航天航空事業(yè)也會向著更加完善的方向發(fā)展。

二、數(shù)學在航天航空中的實際運用案例分析

（一）航空軌跡問題

在某年10月，我國的神州載人飛船發(fā)射成功，在9點9分50秒的時間正是進入到預定的軌道之中，并且由此開始了巡天飛行。此軌道的運行是以地球為主要中心，設定為F2，F(xiàn)2也是軌道橢圓形的焦點，在坐標中以橢圓為中心原點，在靠近地面200千米的距離上有一點A，成為近地點A。遠地點為B。和地面之間的距離為350千米，在題目中已知地球的半徑用R表示，R=6371千米。已知上述條件，求得兩點問題：

（1）飛船飛行的橢圓軌道方程是什么?

（2）飛船在行駛地球14圈以后，在當?shù)貢r間16日的5點59分，返回艙和推進艙之間出現(xiàn)了分離的現(xiàn)象，由此當天的飛行任務也到此結束。飛船在天上的飛行距離大約是6×105千米。那么已知這些條件請問，飛船巡天飛行的平均速度是多少？

這些都是和航天航空有關的數(shù)學問題，這些數(shù)學問題的研究能夠讓航天航空事業(yè)的發(fā)展更加穩(wěn)定，相關數(shù)據的計算更加精確。對于第一個問題可以使用橢圓方程來解答從題意中能夠了解到，a-c=OA-OF2=F2A,就是數(shù)字6371+200=6571，并且a+c=OB+ OF2=F2B=6371+350=6721,從兩個方程的解中能夠看到a=6646、c= 75,那么a2的值為44169316，由此課件，b2=a2-c2=(a+c)(a-c),最后結果就是6721×6571=44163691，這樣橢圓形方程就能夠根據公式獲得。對于第二個問題的解答，從題目中能夠看到在15日的9點9分50秒時，一直到16日的5點59分，一共用了74950秒，那么飛船在巡天過程中的平均速度就是600000∕74950，最后結果大約是8km∕s。

（二）航空橢圓軌道研究

在嫦娥一號的探月衛(wèi)星運行中，衛(wèi)星按照地月的轉移向月球運行，在靠近月球比較近的一個點上，設置為P，P進入到以月球為焦點的橢圓軌道I，繞著月球飛行，并且在衛(wèi)星P第二次進入到橢圓軌道中時還是按照F點進行橢圓軌道的繞行，最后衛(wèi)星P第三次進入到以F點為圓心的圓形軌道之中。如果使用2c1和2c2表示橢圓的軌道I和橢圓的軌道II，并且使用2a1和2a2對橢圓的長度進行表示，有以下集中計算公式，情對計算公式的序號進行排列,第一，a1+c1=a2+c2；第二，a1-c1=a2-c2;第三，a1-c1=a2-c2。要想對這道題進行解答就需要從PF入手分析，PF=a1-c1=a2-c2，可以對橢圓軌道的I和II離心率問題進行研究，分別設置為e1e2，按照數(shù)學中離心率的知識就能夠對橢圓的特點進行了解，那么非常顯然得到了e1比e2大，并且c1a2也比a1c2大[1]。

三、航天航空發(fā)展過程中的數(shù)學原理分析

航天航空學者在對數(shù)學問題進行研究的過程中發(fā)現(xiàn)，使用數(shù)學幾何問題能夠更加直觀對一些三維立體問題進行解釋和反應。例如，怎樣的航天飛行設計更加節(jié)省原料。減少能耗也是航天發(fā)展的一個必經之路和必然選擇，因此可以設置兩點，從P1走到P3，如果走直線距離，那么節(jié)省的油料就最多，但是這樣行走則是一種逆行重力場的表現(xiàn)，需要耗費更多的燃料。若是沿襲著重力的管道從P1一直到P2，然后再走向P3那么就是一種小方向上的操作，能夠實現(xiàn)P3點的達到，還能節(jié)省更多的油料。

結束語

綜上所述，本文對數(shù)學在航天事業(yè)中的應用進行了分析和研究，未來的航天事業(yè)發(fā)展還需要更多的數(shù)學知識和數(shù)學研究，為了能夠讓航天航空問題更加完善，并且減少燃料的使用，降低消耗就需要學者和設計師們強化研究，創(chuàng)新科技，使用更多的數(shù)學知識解答未來的問題。我國的神州飛船還會繼續(xù)不斷的進入月球、火星以及木星，這方面的研究也會有很大的使用空間，因此需要學校和各類研究人員認真學習數(shù)學知識和數(shù)學原理，努力應用于實踐，只有這樣才能促進我國航天事業(yè)的進步和發(fā)展。

[1]吳果林,李修清,廖桂湘等.應用技術型本科院校數(shù)學課程教學改革的探索與實踐——以桂林航天工業(yè)學院為例[J].教育教學論壇,2015,11(49):150-151.