十三課 探索宇宙

探宇

索宙制作人：王葶！

樊雪琦前言你知道嗎？在北京建國門有一個(gè)古天文臺(tái)，那里保存著我國古代一些天文觀測儀器，其中有一個(gè)巨大的銅球最引人注目，那就是渾天儀。這表明500多年以前，中國人就已經(jīng)用一些儀器來觀測太陽，月亮和星星了。

渾天儀渾天儀是渾儀和渾象的總稱。渾天儀渾儀是測量天體球面坐標(biāo)的一種儀器，而渾象是古代用來演示天象的儀表。它們是我國東漢天文學(xué)家張衡所制的.西方的渾天儀最早由埃拉托色尼于公元前255年發(fā)明。葡萄牙國旗上畫有渾儀。自馬努埃一世起渾天儀成為該國之象征

渾儀整體看猶如一個(gè)圓球,然后通過可繞中心旋轉(zhuǎn)的窺管觀測天體.渾儀的歷史悠久,有人認(rèn)為西漢落下閎,鮮于妄人,耿壽昌都造過圓儀，東漢賈逵.傅安等在圓儀上加黃道環(huán).改稱“黃道銅儀”.早期結(jié)構(gòu)如何已沒有記載.而最早有詳細(xì)結(jié)構(gòu)記載的是東晉史官丞南陽孔挺在光初六年.即公元323年所造的兩重環(huán)銅渾儀，這架儀器由六合儀和四游儀組成。到了唐貞觀七年，即公元633年，李淳風(fēng)增加了三圾儀，把兩重環(huán)改為三重儀，成為一架比較完備的渾儀，稱為“渾天黃道儀”。唐朝以后所造的渾儀，基本上與李淳風(fēng)的渾儀相似，只是圓環(huán)或零部件有所增減而已。隨著渾儀環(huán)數(shù)的增加，觀測時(shí)遮蔽的天區(qū)愈

來愈多。因此，從北宋開始簡化渾儀，到了元朝郭守敬則對(duì)渾儀進(jìn)行徹底改革，創(chuàng)制出簡儀。望遠(yuǎn)鏡

望遠(yuǎn)鏡是怎樣幫助文學(xué)家提高探索宇宙能力的？科學(xué)技術(shù)怎樣影響望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的？請(qǐng)大家舉手回答一下。在探月工作中，

射電望遠(yuǎn)鏡的作用？

上海65米射電望遠(yuǎn)鏡于今年內(nèi)基本建成后，可在四個(gè)低頻波段投入工作，具備執(zhí)行探月工程二期的任務(wù)及開展天文觀測的能力。之后,將致力于完成四個(gè)高頻波段的接收設(shè)備以及主動(dòng)面調(diào)整系統(tǒng)的調(diào)試.望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)全部建成后,將在射電天文,地球動(dòng)力學(xué)和空間科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。宇宙探測器例如：空間探測器空間探測器

spaceprobe對(duì)月球和月球以遠(yuǎn)的天體和空間進(jìn)行探測的無人航天器.又稱深空探測器.包括月球探測器,行星和行星際探測器,探測的主要目的是了解太陽系的起源.演變和現(xiàn)狀；通過對(duì)太陽系內(nèi)的各主要行星的比較研究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地球環(huán)境的形成和演變；了解太陽系的變化歷史；探索生命的起源和演變?？臻g探測器實(shí)現(xiàn)了對(duì)月球和行星的逼近觀測和直接取樣探測，開創(chuàng)了人類探索太陽系內(nèi)天體的新階段?？臻g科學(xué)的發(fā)展,離不開航天器.航天器按其本身的任務(wù)可劃分為兩類:第一類為無人航天器,它包括人造地球衛(wèi)星,月球探測器和行星際自動(dòng)探測器等；第二類為載人航天器,它包括衛(wèi)星式飛船,空間站,登月飛船和航天飛機(jī)等.航天器按其運(yùn)行軌道也可分為兩類：第一類是環(huán)繞地球運(yùn)行的航天器，它包括人造地球衛(wèi)星、衛(wèi)星式飛船、空間站和航天飛機(jī)等；第二類是脫離地球引力飛往月球、其他行星及行星際空間的航天器，它包括登月飛船、各種行星和行星際探測器等。飛行原理空間探測器離開地球時(shí)必須獲得足夠大的速度（見宇宙速度）才能克服或擺脫地球引力，實(shí)現(xiàn)深空飛行。探測器沿著與地球軌道和目標(biāo)行星軌道都相切的日心橢圓軌道（雙切軌道）運(yùn)行，就可能與目標(biāo)行星相遇，或者增大速度以改變飛行軌道,可以縮短飛抵目標(biāo)行星的時(shí)間.例如,美國“旅行者”2號(hào)探測器的速度比雙切軌道所要求的大0.2公里/秒,到達(dá)木星的時(shí)間縮短了將近四分之一。

為了保證探測器沿雙切軌道飛到與目標(biāo)行星軌道相切處時(shí)目標(biāo)行星恰好也運(yùn)行到該處，必須選擇在地球和目標(biāo)行星處于某一特定相對(duì)位置的時(shí)刻發(fā)射探測器。例如飛往木星約需1000天的時(shí)間，木星探測器發(fā)射時(shí)木星應(yīng)離會(huì)合點(diǎn)83度(相當(dāng)于木星在軌道上走1000天的路程)根據(jù)一定的相對(duì)位置要求，可以從天文年歷中查到相應(yīng)的日期，這個(gè)有利的發(fā)射日期一般每隔一、二年才出現(xiàn)一次.探測器可以在繞飛行星時(shí)，利用行星引力場加速，實(shí)現(xiàn)連續(xù)繞飛多個(gè)行星。

技術(shù)特點(diǎn)

空間探測器是在人造地球衛(wèi)星技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但是與人造地球衛(wèi)星比較，空間探測器在技術(shù)上有一些顯著特點(diǎn)?？刂坪蛯?dǎo)航空間探測器飛離地球幾十萬到幾億公里，入軌時(shí)速度大小和方向稍有誤差，到達(dá)目標(biāo)行星時(shí)就會(huì)出現(xiàn)很大偏差。例如，火星探測器入軌時(shí)，速度誤差1米/秒（大約是速度的萬分之一），到達(dá)火星時(shí)距離偏差約10萬公里。因此在漫長飛行中必須進(jìn)行精確的控制和導(dǎo)航。飛向月球通常是靠地面測控網(wǎng)和空間探測器的軌道控制系統(tǒng)配合進(jìn)行控制的(見航天器軌道控制)。行星際飛行距離遙遠(yuǎn)，無線電信號(hào)傳輸時(shí)間長，地面不能進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控，所以行星和行星際探測器的軌道控制系統(tǒng)應(yīng)有自主導(dǎo)航能力（見星際航行導(dǎo)航和控制）。例如，美國“海盜”號(hào)探測器在空間飛行八億多公里，歷時(shí)11個(gè)月，進(jìn)行了2000余次自主軌道調(diào)整，最后在火星表面實(shí)現(xiàn)軟著陸，落點(diǎn)精度達(dá)到50公里。此外，為了保證軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作姿態(tài)準(zhǔn)確，通信天線始終對(duì)準(zhǔn)地球，并使其他系統(tǒng)正常工作，探測器還具有自主姿態(tài)控制能力。通信系統(tǒng)

為了將大量的探測數(shù)據(jù)和圖像傳送給地面,必須解決低數(shù)據(jù)率極遠(yuǎn)距離的傳輸問題。解決方法是在探測器上采用數(shù)據(jù)壓縮,抗干擾和相干接收等技術(shù)。還須盡量增大無線電發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和天線口徑，并在地球上多處設(shè)置配有巨型拋物面天線的測控站或測量船?？臻g探測器上還裝有計(jì)算機(jī)，以完成信息的存貯和處理電源系統(tǒng)太陽光的強(qiáng)度與到太陽距離的平方成反比,外行星遠(yuǎn)離太陽，那里的太陽光強(qiáng)度很弱，因此外行星探測器不能采用太陽電池電源而要使用空間核電源。

結(jié)構(gòu)狀況空間探測器承受十分嚴(yán)酷的空間環(huán)境條件,有的需要采用特殊防護(hù)結(jié)構(gòu)。例如“太陽神”號(hào)探測器運(yùn)行在近日點(diǎn)為0.309天文單位（約4600萬公里）的日心軌道，所受的太陽輻射強(qiáng)度比人造地球衛(wèi)星高一個(gè)數(shù)量級(jí)。有些空間探測器在月球或行星表面著陸或行走，需要一些特殊形式的結(jié)構(gòu)，例如適用于在凹凸不平表面上行走的撓性輪等。用

途

宇宙探測器用于人類對(duì)深空的探索和研究。首先是利用航天技術(shù)的優(yōu)勢，更加全面地了解和認(rèn)識(shí)日地空間環(huán)境，例如考察高空輻射帶，宇宙射線，太陽風(fēng)等對(duì)地球上生態(tài)的影響；其次，開發(fā)太陽系資源，在月球，火星上建立永久性空間基地，甚至為向這些地外星球移民創(chuàng)造條件；再次，通過對(duì)各大行星形成的研究，考察地球形成的歷史，探索生命的起源，同時(shí)發(fā)現(xiàn)更多的新天體，揭開宇宙演化的奧秘，尋覓宇宙人的蹤跡等等。第一個(gè)月球探測器進(jìn)入太空30多年以來，人類已經(jīng)有計(jì)劃，有步驟地對(duì)太陽系各個(gè)天體進(jìn)行了廣泛考察，獲得了極其豐富和寶貴的資料，加深了人們對(duì)太陽系空間的認(rèn)識(shí)，甚至改變了過去長期建立起來的舊觀念，并為進(jìn)一步征服太陽系創(chuàng)造了條件。總結(jié)

總之，通過探測器的探訪，對(duì)一些天文現(xiàn)象大都陸續(xù)尋覓到了答案，而且不斷獲得新的發(fā)現(xiàn)，在人們面前展現(xiàn)出一幅嶄新的太陽系面貌?；鸺鸺七M(jìn)原理火箭推進(jìn)理論是航天理論的基礎(chǔ)之一?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)是一種推進(jìn)工具，它能提供強(qiáng)大動(dòng)力，使航天器達(dá)到所需要的宇宙速度。

它的工作是基于直接反作用運(yùn)動(dòng)的原理，這一原理特別有利于高速航行。那么什么是直接反作用運(yùn)動(dòng)呢？按照牛頓力學(xué)基本定律，兩個(gè)相互作用的物體，其作用力與反作用力總是同時(shí)存在，它們的大小相等，方向相反。因此，任何一種移動(dòng)，廣義地說，都是反作用運(yùn)動(dòng)。舉兩個(gè)例子：一是輪船，由于船的葉輪作用在水上，水的反作用力使船前進(jìn)；二是噴氣式（飛機(jī)）發(fā)動(dòng)機(jī)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料燃燒，膨脹的燃?xì)飧咚傧蚝髧姵?，發(fā)動(dòng)機(jī)便得到與燃?xì)鈬姵龇较蛳喾吹耐屏Χ蚯斑\(yùn)動(dòng)。噴氣推進(jìn)屬于直接反作用運(yùn)動(dòng)。那么什么是噴氣推進(jìn)呢？將物質(zhì)以氣體噴射的形式從被推進(jìn)的物體中噴出，這種推進(jìn)方式稱為噴氣推進(jìn)。

噴氣推進(jìn)所噴射的物質(zhì)叫做推進(jìn)劑；利用噴氣推進(jìn)產(chǎn)生推力的發(fā)動(dòng)機(jī),叫做噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。運(yùn)動(dòng)時(shí),相互作用的物體,一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)本身,另一個(gè)是從它內(nèi)部噴出的高速氣流,高速氣流產(chǎn)生的反作用力作用于發(fā)動(dòng)機(jī)本身,方向與氣流方向相反，這就是推力。

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)分為兩大類：一是空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，它是利用大氣來產(chǎn)生噴氣射流的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。例如：以大氣中的氧氣作為氧化劑，燃燒燃料產(chǎn)生燃?xì)馍淞?；或在核子熱交換器中加熱空氣，然后由噴管排出；

二是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它是自身攜帶全部噴射物質(zhì)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī).例如：帶有氧化劑和燃燒劑以產(chǎn)生燃?xì)馍淞鳌?/p>

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所達(dá)到的推力和速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般的推進(jìn)方法。這種發(fā)動(dòng)機(jī)不依賴周圍介質(zhì)條件，在空間環(huán)境也能工作，這一特點(diǎn)，保證了在不同飛行速度下，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力不受空氣接受能力的影響，而是恒定的，這也使得火箭（發(fā)動(dòng)機(jī)）所能達(dá)到的飛行速度比其它任何類型發(fā)動(dòng)機(jī)要高得多；其次,由于是直接反作用運(yùn)動(dòng),沒有中間機(jī)構(gòu)，在主要的噴射通道中不存在限制工作溫度的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這就決定了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，而所產(chǎn)生的推力卻很大。萬戶的故事他出身于木匠，曾在大將軍班背手下效力，供職于兵器制造局。他做事勤勉，愛動(dòng)腦筋，對(duì)各種兵器制造技術(shù)進(jìn)行過深入的鉆研，深得班背的喜愛。后來，班背因得罪朝廷權(quán)貴而被害臨死前，將一本關(guān)于火箭制造技術(shù)的書籍留給了萬戶。根據(jù)這本書，萬戶造出了各種各樣的火箭。在制造火箭的過程中，萬戶萌發(fā)了試圖利用火箭進(jìn)行一次飛天探險(xiǎn)試驗(yàn)的念頭。他設(shè)想，火箭可以產(chǎn)生推力，風(fēng)箏可以飄在空中，如果人坐在椅子上，手持風(fēng)箏，椅子下面綁上火箭，點(diǎn)燃火箭后，人就可以借助于火箭的推力和風(fēng)箏的升力飛上天空。

萬戶為了將自己的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，進(jìn)行了精心的準(zhǔn)備。等到一切準(zhǔn)備就緒后，他就開始了飛天試驗(yàn)。試飛的地點(diǎn)選擇在一座山頂上。那天來了不少人。萬戶坐在一張椅子上，讓人把自己捆牢。他雙手各持一個(gè)大風(fēng)箏，準(zhǔn)備妥當(dāng)后，叫人點(diǎn)燃了座椅下捆綁著的當(dāng)時(shí)推力最大的47支火箭。隨著火箭的烈焰噴射，萬戶連人帶椅離開山頂向前沖去……正