“神舟”六号飞船完成了预定空间科学和技术试验任务后,返回舱于2005年10月17日4时11分开始从太空向地球表面按预定轨道返回。在离地l0km的高度返回舱打开阻力降落伞减速下降,返回舱在这一过程中所受空气阻力与速度的平方成正比,比例系数(空气阻力系数)为k。已知返回舱的总质量M =3000kg,所受空气浮力恒定不变,且认为竖直降落。从某时刻起开始计时,返回舱的运动v — t图象如图中的AD曲线所示,图中AB是曲线在A点的切线,切线交于横轴于B点的坐标为( 10,0 ),CD是AD的渐近线,亦是平行于横轴的直线,交纵轴于C点,C点的坐标为( 0,6 )。请解决下列问题:(取g=10 m/ s2)
(1)在初始时刻v0 = 160m/s时,它的加速度多大?
(2)推证空气阻力系数k的表达式并算出其数值;
(3)返回舱在距地高度h = 10m时, 飞船底部的4个反推力小火箭点火工作, 使其速度由6m/s迅速减至1m/s后落在地面上。若忽略燃料质量的减少对返回舱总质量的影响, 并忽略此阶段速度变化而引起空气阻力的变化, 试估算每支小火箭的平均推力(计算结果取两位有效数字)。
(1)16m/s2(2)1 . 88 kg / m (3)1.3×103 N
⑴根据速度图象可知, 在初始v0 =160m/s时,过A点切线的斜率即为此时的加速度,设为a1, 其大小为
a1 = =
m/s2 = 16m/s2 --------------(4分)
⑵由图知, 返回舱的v—t图的斜率逐渐减小,最后是以v1 =6m/s的速度作匀速运动.设返回舱所受空气浮力为f,在t =0时,根据牛顿第二定律则有:
Kv02 + f–Mg = Ma1. ① --------------(2分)
速度为v1 =" 6" m/s 时,返回舱受力平衡,即有:
Kv12 + f–Mg =" 0 " ② -------------- (2分)
由①、②两式解得:k = --------------(2分)
代入数值得:k = kg / m =" 1" . 88 kg / m --------------(2分)
⑶由题意知,在距地高度h = 10m前,返回舱已处于匀速运动状态,返回舱所受浮力、阻力与重力的合力已持续为0。故返回舱在着地减速期间的加速度实际由4个小火箭的反推力共同产生。设每支小火箭的平均推力为F0 ,反推加速度大小为a2, 着地速度为v2,根据牛顿第二定律
4F0 = M a2 ③ --------------(2分)
( 或 Kv12 + f–Mg+ 4F0 = M a2 )
由运动学公式知: v22―v12 =–2 a2h ④ --------------(2分)
由③、④两式解得:
F0 = =
N = 1.3×103 N --------------(2分)