第七章空間技術(shù)

第七章空間技術(shù)教學(xué)目的：掌握運(yùn)載火箭進(jìn)入第四環(huán)境的工作原理；掌握航天器的分類及各類航天器的特點與用途。了解空間資源的狀況及其開發(fā)的意義；了解中國航天事業(yè)、國際航天事業(yè)的發(fā)展。教學(xué)重點：多級火箭的組成及工作原理；航天器的分類；人造地球衛(wèi)星的種類及應(yīng)用。教學(xué)難點：火箭的原理課時分配：2課時第一節(jié)空間技術(shù)概述什么是空間技術(shù)：空間技術(shù)又稱航天技術(shù)或宇航技術(shù)，是研究和解決航天器進(jìn)入太空并在太空正常運(yùn)行、可靠工作，探索研究太空環(huán)境、開發(fā)利用太空資源的綜合性工程技術(shù)。一般將大氣層以外太陽系以內(nèi)的航行活動稱為航天，而太陽系以外的航行活動稱之為航宇。但在相當(dāng)長的歷史階段內(nèi)，人類還只能實現(xiàn)航天活動，當(dāng)代研究的空間技術(shù)所涉及的范圍僅限于太陽系之內(nèi)。一、人類為什么要探索宇宙空間隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類的活動范圍也在不斷擴(kuò)大，從陸地到海洋，再從海洋到大氣層，現(xiàn)在又從大氣層擴(kuò)展到外層空間。外層空間是指地表100—120km以上的空間。因此，人們把陸地稱為人類生存的第一環(huán)境，海洋為第二環(huán)境，大氣層為第三環(huán)境，外層空間則被稱為第四環(huán)境。人類的第四環(huán)境有豐富的資源：高位置資源、微重力資源、高真空資源、超潔凈資源、太陽能資源、月球及其他行星資源等。發(fā)展空間技術(shù)，開發(fā)外層空間的巨大資源，在經(jīng)濟(jì)上、軍事上、科學(xué)上和政治上都具有深遠(yuǎn)的影響。1、 在經(jīng)濟(jì)上，太空活動具有很高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。多種應(yīng)用衛(wèi)星在通信廣播、資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)視、氣象預(yù)報、導(dǎo)航定位等方面，已為人類做出了巨大的貢獻(xiàn)。太空活動將為人類提供無限寶貴的種種資源。2、 在軍事上，占有空間優(yōu)勢就具有軍事戰(zhàn)略優(yōu)勢。航天技術(shù)持續(xù)發(fā)展對軍事的影響是革命性的，超級大國大力發(fā)展偵察衛(wèi)星了解敵方軍事部署，并作為洲際導(dǎo)彈的耳目而成為戰(zhàn)略核武器的配套項目。通訊、導(dǎo)航等衛(wèi)星的發(fā)展，同樣大大增強(qiáng)了國家的軍事力量。3、 在科學(xué)技術(shù)上，空間活動帶動和促進(jìn)了眾多學(xué)科的發(fā)展。空間活動帶動了電子技術(shù)，遙感技術(shù)，噴氣技術(shù)，自動控制技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，對包括生命科學(xué)、宇宙科學(xué)在內(nèi)的基礎(chǔ)科學(xué)有很大推動，并形成了許多邊緣學(xué)科，如空間工藝學(xué)、空間材料學(xué)、空間生物學(xué)、衛(wèi)星測地學(xué)、衛(wèi)星氣象學(xué)、衛(wèi)星海洋學(xué)等。4、 在政治上，空間技術(shù)極大地提高了國家在綜合國力及其在國際活動中的地位。當(dāng)前國際上許多重大問題都與空間有關(guān)，參加開發(fā)空間的國家也越來越多，而應(yīng)用空間技術(shù)成果的國家?guī)缀醣榧笆澜绺鱾€角落。二、人類進(jìn)入宇宙空間要克服的困難航天，指脫離地球引力，在行星際空間飛行的活動。脫離地球引力是實現(xiàn)外層空間旅行的首要問題，解決的辦法是航天器須達(dá)到一定的速度和高度條件。1、克服引力作用，達(dá)到宇宙速度條件宇宙中普遍存在著萬有引力規(guī)律，地球表面物體所受到的地球引力是重力。當(dāng)一個物體圍繞地球做圓周運(yùn)動時，必然產(chǎn)生一個向外的慣性離心力。如果這個離心力剛好等于向內(nèi)的重力，這個物體將繞地球運(yùn)行，不再落回地面。此時物體運(yùn)動的速度叫環(huán)繞速度。這個速度的大小，我們應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律和萬有引力定律推算的結(jié)果是：V1= ?其中g(shù)為重力常數(shù)；R為地球半徑；r為物體繞地球的旋轉(zhuǎn)半徑。令r=R，則：V=1將g=9.81米/秒R=6400千米代入公式，得：V1=7.9千米/秒由此得：第一宇宙速度（環(huán)繞速度）：7.9千米/秒依此推出：第二宇宙速度（完全脫離地球引力）：11.2千米/秒（計算公式：V2= ? ）第三宇宙速度（脫離太陽系）：16.7千米/秒2、 克服真空條件3、 適應(yīng)劇烈變化的溫度環(huán)境4、 防止有害輻射航天高度的選擇：在離地面100公里的高度上，空氣密度約為海平面的一百萬分之一；在200公里的高空，只有海平面的五億分之一。衛(wèi)星高度低，就會被它與空氣的劇烈摩擦產(chǎn)生的巨熱燒毀，或者因空氣的巨大阻力而減速、隕落。所以，衛(wèi)星一般在離地120公里以上的高空飛行。高度在100——120Km以上。為什么衛(wèi)星要選擇100Km以上這樣的高度？1960年第53屆巴塞羅那國際航空聯(lián)合大會決議規(guī)定，“地球表面100Km以上空間為航天空間，為國際公共領(lǐng)域，100Km以下空間為航空空間領(lǐng)域?！边@是為什么衛(wèi)星要選擇100Km以上這樣的高度。衛(wèi)星軌道為什么要選擇120Km以上這樣的高度運(yùn)行？主要是考慮氣象因素，大家知道地球有一個大氣層，90%大氣質(zhì)量在30Km以下，30Km以上逐漸稀薄了。隨著高度的增加，空氣密度急劇下降，在距地面100Km的高度上，空氣密度為海平面的一百萬分之一；在120Km高度上，空氣密度為海平面的幾千萬分之一；在200Km高度上，空氣密度只有海平面的五億分之一。大家要問達(dá)不到120Km以上高度會怎樣？達(dá)不到120Km以上高度就會掉下來。美國1959年曾發(fā)射了一顆衛(wèi)星，距地球最低點是69英里，1英里二1.609Km，69英里二112Km，這顆衛(wèi)星發(fā)射的很成功，上去圍繞地球轉(zhuǎn)了一圈后就掉下來了。為什么？這是由于受到空氣阻力的影響，它沒有真正脫離無阻力飛行的環(huán)境，所以就掉下來了。嚴(yán)格說必須把衛(wèi)星運(yùn)行軌道選擇在120Km以上的空間，它才不會掉下來。由于衛(wèi)星以7.9公里/秒的速度飛行會受到很大的阻力，并且與空氣磨擦?xí)a(chǎn)生數(shù)千度甚至上萬度的高溫，從而燒壞衛(wèi)星。因此，必須把衛(wèi)星的軌道選在稠密大氣層以外，即120公里的高空，這時空氣密度只有地面的幾千萬分之一了。大氣層分成很多層，越靠近地球，空氣密度越高。反之則急劇下降。到120公里的高空，空氣密度就只有地面的幾千萬分之一了。所以，衛(wèi)星通常都在離地面120公里以上的空間飛行。三、空間技術(shù)的發(fā)展1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，標(biāo)志著人類跨入了航天時代。由此興起的航天技術(shù)在以后的近半個世紀(jì)里獲得了迅速發(fā)展。目的是利用空間飛行器作為手段來研究發(fā)生在空間的物理、化學(xué)和生命等自然現(xiàn)象。作為一門從事空間飛行的綜合性技術(shù)，它主要包括空間飛行技術(shù)、控制與導(dǎo)航、通訊與遙感、遙控、圖象與數(shù)據(jù)處理及包括火箭、衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)的制造與發(fā)射等在內(nèi)的空間系統(tǒng)工程技術(shù)。航天技術(shù)的發(fā)展可以分為以下三個階段：第一階段：1957-1964年，基礎(chǔ)技術(shù)和實際應(yīng)用試驗階段。在所發(fā)射的人造天體上使用了各種特殊儀器設(shè)備，利用空間特殊環(huán)境條件，收集各種探測數(shù)據(jù)、遙感天空和地面、轉(zhuǎn)送各種信息、進(jìn)行各種特殊實驗、把太陽能轉(zhuǎn)化為電能等，人首次飛出大氣層。第二階段：1964-1979年，載人飛行基本技術(shù)取得顯著進(jìn)步和迅速發(fā)展。60年代中期，美國開始在太空部署各種衛(wèi)星網(wǎng)。美、蘇兩國通過各自的載人飛船計劃證實人在宇宙空間的生活和工作能力；通過對行星的空間科學(xué)探測，發(fā)展了人類對宇宙空間的科學(xué)認(rèn)識；阿波羅計劃使人類首次登上月球；美國的旅行者I號、II號等行星探測器仍在太陽系里航行；天空實驗室和禮炮號試驗性空間站，為開發(fā)宇宙展示出廣闊的前景。第三階段1980年到現(xiàn)在，空間技術(shù)的商業(yè)與軍事化階段一系列的應(yīng)用衛(wèi)星投入商業(yè)及軍事領(lǐng)域，整個社會進(jìn)入信息時代。最突出的成就是一次性使用的返地空間運(yùn)載工具被可重復(fù)使用的航天飛機(jī)取代，故又稱為航天飛機(jī)階段。四、空間技術(shù)的特點：空間技術(shù)與其他技術(shù)相比，具有三個突出特點：第一，空間技術(shù)是高度綜合的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。它的發(fā)展體現(xiàn)了一個國家的綜合國力和現(xiàn)代科技的水平，是許多科技最新成就的集成，其中包括噴氣技術(shù)、電子技術(shù)、自動化技術(shù)、遙感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、新材料技術(shù)等。第二，空間技術(shù)對國家現(xiàn)代化和社會進(jìn)步具有重要作用?？臻g技術(shù)的進(jìn)步可以使一個國家在外層空間的開發(fā)和激烈競爭中處于領(lǐng)先地位，并能為經(jīng)濟(jì)、科技、社會的各個領(lǐng)域的現(xiàn)代化提供有力工具，創(chuàng)造出常規(guī)技術(shù)無法達(dá)到的經(jīng)濟(jì)和社會效益。第三，空間活動也是高投入、高效益、高風(fēng)險的事業(yè)。1986年和2003年，美國航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)者號”和“哥倫比亞號”先后失事，各有七名航天員死亡，損失慘重。盡管風(fēng)險很大，但是空間技術(shù)的發(fā)展對人類的貢獻(xiàn)是巨大的，因此它必將持續(xù)發(fā)展。五、空間技術(shù)的應(yīng)用：半個世紀(jì)以來空間技術(shù)的成就是巨大的。它已迅速并廣泛應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域。當(dāng)代航天技術(shù)的應(yīng)用不僅在軍事和經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面，而且已深入到每個家庭、個人生活之中。衛(wèi)星通信、廣播。通信衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)步，使它在通信和廣播領(lǐng)域迅速推廣應(yīng)用，世界上跨洋通信幾乎全被通信衛(wèi)星所代替。許多交通不便，通信干線不到之處，以及海上、空中、災(zāi)區(qū)通信衛(wèi)星更顯出優(yōu)越性。目前衛(wèi)星通信可提供有關(guān)信息傳遞的100多種業(yè)務(wù)。以國際通信衛(wèi)星系統(tǒng)為例，其業(yè)務(wù)活動效益每年達(dá)100億美元。衛(wèi)星電視廣播的應(yīng)用已眾所周知，不僅豐富了人民的新聞文化生活，而且為教育事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)，以我國開通的衛(wèi)星電視教育頻道為例，目前已有5000多個衛(wèi)星電視教育接收臺，接受各種教育人數(shù)達(dá)2000萬以上，效果很好。衛(wèi)星導(dǎo)航定位。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由于范圍大、時效好、精度高等特點已廣泛應(yīng)用于海上艦船、空中飛機(jī)、陸上車輛的行駛導(dǎo)航，以及各種工程建設(shè)和業(yè)務(wù)活動中的定位。美國GPS系統(tǒng)的定位精度可達(dá)到米級。高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位為各種交通工業(yè)提高運(yùn)輸效率及安全保障做出重要貢獻(xiàn)。資源調(diào)查和測繪。利用衛(wèi)星照片調(diào)查陸地和海洋資源已廣泛應(yīng)用，并被證實是有效的方法，不僅節(jié)約人力物力，而且時間快。我國已利用國內(nèi)外衛(wèi)星對全國的主要經(jīng)濟(jì)區(qū)的資源和環(huán)境進(jìn)行勘測和調(diào)查。同時，還利用衛(wèi)星照片繪制了地形圖和各種專業(yè)圖。氣象與災(zāi)害預(yù)報。氣象衛(wèi)星不僅提高了天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率，同時對臺風(fēng)、暴風(fēng)雨等的預(yù)測以及海面溫度的監(jiān)測和海洋漁業(yè)的發(fā)展都起著極為有效的作用。自從有了氣象衛(wèi)星以來，臺風(fēng)天氣預(yù)報幾乎準(zhǔn)確無誤。我國利用氣象衛(wèi)星資料，對森林火災(zāi)、洪水等多種災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測發(fā)揮了積極的作用。軍事應(yīng)用。應(yīng)用衛(wèi)星中軍事衛(wèi)星占有重要地位，包括軍事偵察、導(dǎo)彈預(yù)警、軍事通信指揮、導(dǎo)航和氣象保障等。偵察衛(wèi)星不僅可以實時大范圍監(jiān)視敵方的軍事行動，而且可以對重要軍事目標(biāo)進(jìn)行詳查。各種軍事衛(wèi)星不僅提供平時部隊各種需要，而且在戰(zhàn)時發(fā)揮重要作用。典型應(yīng)用是1991年海灣戰(zhàn)爭中美國利用多種軍事衛(wèi)星參加了作戰(zhàn)，發(fā)揮了極為重要的作用。此外，空間技術(shù)在科學(xué)研究等方面也發(fā)揮了積極的作用。世界上先進(jìn)國家的科研機(jī)構(gòu)對生命科學(xué)、宇宙科學(xué)、日地空間環(huán)境都取得了不少的成就。第二節(jié)運(yùn)載火箭技術(shù)運(yùn)載器技術(shù)，是指克服地球引力，將航天器送到外層空間的運(yùn)載工具技術(shù)。目前，航天運(yùn)載器僅有火箭，所以，航天運(yùn)載器技術(shù)亦稱火箭技術(shù)?；鸺菙y帶氧化劑和燃燒劑，經(jīng)過燃燒、噴射的燃?xì)猱a(chǎn)生反作用力推進(jìn)的飛行器。它由動力裝置、制導(dǎo)系統(tǒng)和箭體組成。按發(fā)動機(jī)工質(zhì)形態(tài)的不同，火箭可分為液體火箭（用液態(tài)物質(zhì)作為推進(jìn)劑的火箭，稱為液體火箭。液體火箭發(fā)動機(jī)通常由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)等組成。液體火箭發(fā)動機(jī)比推力較高，工作時間長，調(diào)節(jié)推力、關(guān)機(jī)和再啟動較容易，易于實現(xiàn)多發(fā)動機(jī)并聯(lián)使用）和固體火箭（用固態(tài)物質(zhì)作為推進(jìn)劑的火箭，稱為固體火箭。固體火箭發(fā)動機(jī)通常由殼體（燃燒室）、固體推進(jìn)劑、噴管、點火裝置和推力終止裝置等組成。固體火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，使用方便，發(fā)射準(zhǔn)備時間短，可靠性高。但比推力較低，推力終止精度低，重復(fù)啟動困難）兩種。目前，世界各國研制較為成熟的運(yùn)載火箭主要有：俄羅斯（前蘇聯(lián)）的“質(zhì)子”號大型運(yùn)載火箭、美國的“雷神”、“大力神”系列運(yùn)載火箭、中國的“長征”系列運(yùn)載火箭、歐盟的“阿里亞娜”液體火箭等。第三節(jié)航天器技術(shù)航天器又稱空間飛行器，是在太空按照天體力學(xué)的規(guī)律運(yùn)行并完成一定使命的各種飛行器的總稱或空間系統(tǒng)。一、航天器的分類航天器分為無人航天器和載人航天器兩大類：無人航天器無人航天器按是否環(huán)繞地球運(yùn)行又可分為人造地球衛(wèi)星和空間探測器。載人航天器載人航天器是指往返地球表面和太空之間，可運(yùn)送人員和有效載荷、提供宇航員居住和工作環(huán)境的航天器。載人航天器按功能的不同可分為載人飛船、空間站、航天飛機(jī)等三類。二、人造地球衛(wèi)星是數(shù)量最多、應(yīng)用最早的航天器。各國第一顆衛(wèi)星發(fā)射情況：前蘇聯(lián)：1957年10月4日成功發(fā)射衛(wèi)星1號；美國：1958年2月1日探險者1號；法國：1965.11.26日本：1970.2.11；中國:1970.4.24“東方紅”1號按運(yùn)行軌道分（P330）:地球同步衛(wèi)星；太陽同步衛(wèi)星；極地衛(wèi)星。人造衛(wèi)星是個興旺的家族，如果按用途分，它可分為三大類：科學(xué)衛(wèi)星：用于科學(xué)探測和研究的衛(wèi)星。技術(shù)試驗衛(wèi)星：用于新技術(shù)試驗。應(yīng)用衛(wèi)星：直接服務(wù)于人類的衛(wèi)星。三、 載人飛船載人飛船是一次性載人上天和返回地面的航天器。目前，載人飛船有衛(wèi)星式載人飛船和登月式載人飛船兩種。中國“神舟”號試驗飛船于已于1999年11月20日使用“長征”一2F運(yùn)載運(yùn)載火箭發(fā)射成功。四、 航天飛機(jī)航天飛機(jī)是一種有人駕駛的空間飛行器。它兼有航空和航天兩種本領(lǐng)，具有航天器和運(yùn)載器雙重功能并可多次重復(fù)使用。它既能像火箭一樣垂直起飛，像空間飛行器一樣沿軌道運(yùn)行，又能像飛機(jī)一樣水平著陸。1981年4月，美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)試飛成功?！疤魬?zhàn)者”號和“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機(jī)也相繼投入實用性飛行。五、空天飛機(jī)它比航天飛機(jī)更高一籌的地方在于能夠在地面上像普通飛機(jī)一樣水平起飛，并直接飛入太空，在地球外層空間軌道上運(yùn)行，最后還能自行飛回地面，在機(jī)場安全降落。美國X-37空天飛機(jī)2010年5月4日成功升空（視頻插播）中國空天飛機(jī)“神龍”現(xiàn)身與美同步推出（2012年05月17日14:43中國新聞周刊六、空間站空間站也稱航天站，是在固定軌道上長期運(yùn)行的供宇航員長期居住和工作的大型空間平臺?？臻g站是迎送宇航員和太空物資的場所，是環(huán)繞地球軌道運(yùn)行的空間基地，人們又稱它為“宇宙島”?？臻g站在距地面幾百千米的近地軌道上運(yùn)行。