第十五章 海洋技术与空间技术

第十五章海洋技术与空间技术 目录 海洋技术海洋探测技术海洋资源开发技术空间与空间技术运载火箭人造地球卫星载人航天 1海洋技术 海洋与海洋资源 在人类赖以生存和发展的宇宙幸运之舟 地球上 陆地面积仅占总面积的29 而海洋则占到71 海洋是生命是的摇篮 海洋是生命是的摇篮 这不仅是说地球上最早的生物出现在海洋 而且指目前地球上80 的生物资源在海洋中 至少30亿年前 地球上最早的生命就已在海洋的世界里延生了 最早出现的是原核生物 后来发展到真核生物 在5 7亿年前 海洋中开始出现各种动植物 大约1 3亿年后 各种动植物开始向陆地迁移 开始了陆上动植物的进化 资源 广阔无垠的海洋是自然界赐于人类的一个巨大的资源宝库 据科学家测定 测海底蕴藏有巨量的多金属结核 其中 锰含量约2000亿吨 大体相当于陆地储量的40 1000万亿立方米 海底磷矿 硫化矿 砂矿亦很丰富 海洋的潮汐能 海浪能 海流能 海水热能等可再生能源的理论储量约为1500亿千瓦 其中可开发利用的约70多亿千瓦 相当于目前发电总量的十几倍 海水中含有大量化学元素 可提取的元素包括铀 氘 氚等80余种 2海洋探测技术 人类用科学方法进行海洋科学考察已有100余年的历史 而大规模 系统地对世界海洋进行考察则仅有30年左右 现代海洋探测着重于海洋资源的应用和开发 探测食油资源的储量 分布和利用前景 监测海洋环境的变化过程及其规律 在海洋探测技术中 包括在海洋表面进行调查的科学考察船 自动浮标站 在水下进行探测的各种潜水器 以及在空中进行监测的飞机 卫星等 科学考察船 建造专用科学调查船始于1872年的英国 挑战者 号 该船长226英尺 排水量2300 使用风力和蒸汽作为动力 从1872年起 历经4年时间环绕航行 观测资料包括洋流 水温 天气 海水成分 发现了4700多种海洋生物 并首次从太平洋上捞取了锰结核 1888 1920年 美国的 信天翁 号探测船测东太平洋 1927年德国的 流星 号探测船首次使用电子探测仪测量海洋深度 校正了 挑战者 号绘制的不够准确的海底地形图 据统计 70年代初全世界总共有科学考察船800多艘 10年后增加到1600艘 其中美国300多艘原苏联200多艘 日本180多艘 海洋卫星 卫星技术在海洋开发中的应用十分广泛 海洋卫星在几百千米高空能对海洋里许多现象进行观测 这是因为它有一些特殊的本领 比如测量海水的温度 用的就是遥感技术 当太阳发出的电磁波到达海面时 能量的分布是不均匀的 利用遥感技术就可以帮助我们测量海面的温度及其特征 数据经电脑分析后 就可得到海面温度的情况 最后打印成一张海面温度分布图 由于几乎是同步观测后得到的数据 所以观测结果很真实 目前 海洋地质调查和技术手段主要有 利用人造卫星导航和全球定位系统 GPS 以及无线电导航系统来确定调查船或观测点在海上的位置 利用回声测深仪 多波束回声测深仪及旁测声纳测量水深和探测海底地形地貌 用拖网 抓斗 箱式采样器 自返式抓斗 柱状采样器和钻探等手段采取海底沉积物 岩石和锰结核等样品 用浅地层剖面仪测海底未固结浅地层的分布 厚度和结构特征 用地震 重力 磁力及地热等地球物理办法 探测海底各种地球物理场特征 地质构造和矿产资源 有的还利用放射性探测技术探查海底砂矿 海洋卫星观测海啸 潜水器 在人类征服海洋深处的征程中 潜艇立下了汗马功劳 然而 即使是核潜艇 一般也只能在 米的海洋深处活动 面对占地表 以上面积的深于 米的海洋 人类创造了潜水器征服了深海 1953年 法国人奥古斯特 皮卡德设计建成 的里雅斯特 号自航式沸水器 1960年1月23日由奥古斯特 皮卡德的儿子雅克 皮卡德以及另一名潜水员美国海军上尉唐纳唐 维尔什共同乘坐 闯荡万米深渊 马里亚纳海沟 创下了10916米的世界纪录 深潜器到达万米深的马利亚纳海沟 说明海洋已经不再是人类的禁地 如果说 年代以前人们热衷于深潜器去深海底探险 追求下潜的深度探险 追求下潜的深度 那么 年代以后 人们便热衷于把深潜器作科学研究和为海洋开发服务 因而 深潜器的商业和科学应用掀起了一个高潮 潜水器既是深海探测的工具 又是进行水下工程的重要设备 潜水器可分为载人潜水器和无人潜水器 我国7000米载人潜水器 据悉 目前 世界上只有美国 日本 法国 俄罗斯拥有深海载人潜水器 最大工作深度未超过6500米 中国研制的7000米载人潜水器 将成为世界上下潜最深的载人潜水器 我国海洋探测技术 我国海域辽阔 是发展中的海洋大国 我国海域面积约300万平方公里 有着丰富的海洋资源 为实现从海洋大国跨入海洋强国的目标 863 计划在海洋技术领域分别设置了海洋监测技术 海洋生物技术和海洋探查与资源开发技术3个主题 以期为我国的海洋开发 海洋利用和海洋保护提供先进的技术和手段 以具有90年代海洋勘测国际先进水平的 海域于形地貌与地质构造探测系统 的开发和研制为代表的多项选进的海洋控查与资源开发技术 为我国海洋资源的开发 利用 保护 维护海洋权益 捍卫国家主权提供了高精度的科学依据 在 863 计划的推动下 我国在合成孔径成像声纳 高精度CTD部面仪和定标检测设备的研制和定标检测设备的研制和近海环境自动监测技术方面等重大技术上取得突破性进展 并已进入世界先进水平行列 海洋资源开发技术 海洋石油和天然气开发石油和天然气资源据1995年的估计世界近海已探明的石油资源储量为379亿吨 天然气的储量为39万亿立方米 据不完全统计 海底蕴藏的油气资源储量约占全球油气储量的1 3 预计在本世纪 海底油气开发将从浅海大陆架延伸到千米水深的海区 世界海洋石油的绝大部分存在与大陆架上 据测算 全世界大陆架面积约为3000万平方公里 占世界海洋面积的8 关于海洋石油的储藏量 由于勘探资料和计算方法的限制 得出的结论也各不相同 法国石油研究机构的一项估计是 全球石油资源的极限储量为10000亿吨 可采储量为3000亿吨 其中海洋石油储量约占45 即可采储量为1350亿吨 海洋生物资源开发 中国海域的生物种类丰富多样 已有描述记录的物种达2万多种 海产鱼类1500种以上 产量较大的有200多种 渔场面积280万平方公里 水产品年产量达2800多万吨 居世界首位 我国海洋生物的物种较淡水多得多 有记录的3802种鱼类 海洋就占3014种 此外 我国还拥有红树林 珊瑚礁 上升流 河口海湾 海岛等各种海洋高生产力的生态系统 对各类海洋生物的繁殖和生长极为有利 海洋水产生产农牧化 就是通过人为干涉 改造海洋环境 以创造经济生物生长发育所需的良好环境条件 同时也对生物本身进行必要的改造 以提高它们的质量和产量 具体就是建立育苗厂 养殖场 增殖站 进行人工育苗 养殖 增殖和放流 使海洋成为鱼 虾 贝 藻的农牧场 中国目前已是世界第一海水养殖大国 随着海洋生物技术在育种 育苗 病害防治和产品开发方面的进一步发展 海水养殖业在21世纪将向高技术产业转化 蓝色革命计划 是着眼于大洋深处海水的利用 在大洋深处 深层水温只有8 9 氮和磷是表层海水的200倍和15倍 极富营养 将深层水抽上来 遇到充足的阳光 就会形成一个产量倍增的新的人工生态系统 温差可以用来发电或直接用于农业生产 美国和日本已经在进行这种人工上升流试验 认为将引发一场海水养殖的革命 所以称为 蓝色革命 海水农业 是指直接用海水灌溉农作物 开发沿岸带的盐碱地 沙漠和荒地 蓝色革命计划 是把海水养殖业由近海向大洋扩展 海水农业 则是要迫使陆地植物 下海 这是与以淡水和土壤为基础的陆地农业的根本区别 人类为了获得耐海水的植物正在进行艰苦的探索 除了采用筛选 杂交育种外 还采用了细胞工程和基因工程育种 这些研究仍在继续 目前采用品种筛选和杂交等传统方法已经获得了可以用海水灌溉的小麦 大麦和西红柿等 海水资源开发 沿海工业用海水在发达国家已达90 以上 如果我国也能大力推广海水利用 是可以大大缓解滨海城市缺水问题的 海水直接利用 海水直接利用的方面多 用水量大 在缓解沿海城市缺水中占有重要地位 在发达国家 海水冷却广泛用在沿海电力 冶金 化工 石油 煤炭 建材 纺织 船舶 食品 医药等工业领域 日本和欧洲每年都约3000亿立方米 目前 我国仅100多亿立方米 如果积极把海水在工业中作冷却水 冲洗水 稀释水等以及居民的冲厕用水 约占居民生活用水的35 发展起来 对缓解沿海城市缺水问题 将起重大作用 海水直接利用的技术包括 海水直流冷却技术 已有80年应用史 是目前工业应用的主流 海水循环冷却技术 我国尚处研究阶段 海水冲洗等技术等 与海水直接利用的有关重要技术 还包括耐腐蚀材料 防腐涂层 阴极保护 防生物附着 防漏渗 杀菌 冷却塔技术等 海水淡化 海水淡化技术 经半个多世纪的发展 其技术已经成熟 主要的淡化方法有 多级闪蒸 MSF 单机容量可达4 5 5 7万m3 d 运行温度 造水比和级数分别在120 10和40级 多级闪蒸除了消耗一定的加热蒸汽外 要消耗电能4 5kWh m3淡水 用于海水的循环和流体的输送 低温多效 LT MDE 技术是在多效基础上 于1975年发展起来的 近10年有较大发展 单台装置每天可产淡水20000立方米 蒸发温度低于800度 效数一般在12效左右 造水比大于10 低温多效除了要消耗的加热蒸汽外 要耗电能1 8kWh m3用于流体输送 反渗透 SWRO RO角膜和组件技术已相当成熟 组件脱盐率可达99 5 能耗在3 4kWh m3淡水 SWRO技术设备投资少 能耗低 效益高 工艺成熟 已有30年的经验积累 竞争力最强 海水化学物质提取利用 海水中化学物质提取是有无限前景的新兴产业 溶解于海水的3 5 的矿物质是自然界给人类的巨大财富 不少发达国家已在这方面获取了很大利益 我国对海水化学元素的提取 目前形成规模的有钾 镁 溴 氯 钠 硫酸盐等 但除氯化钠是从海水中直接提取的以外 其他元素仅限于从地下卤水和盐田苦卤的提取 而且 资源综合利用工艺流程落后 产品质量与国际有一定差距 急需技术更新和设备改造 我国是世界海盐第一生产大国 年产量近2000万吨 综合开发海水技术 与发达国家比 我国综合提取利用技术差距较大 但是自90年代以来有很大发展 从传统的苦卤化工 老四样 氯化钾 氯化镁 硫酸钠和溴 已经发展到现在的近百个品种 3空间与空间技术 空间 人类的第四环境从历史上看 人类的活动范围经历了从防地到海洋 从海洋到大气层 再从大气层到外层空间的逐步扩展过程 外层空间是地球稠密大气层之外的空间 简称空间或太空 如果说陆地是人类的第一环境 海洋是人类的第二环境 大气层是人类的第三环境 那么 外层空间就是人类的第四环境 外层空间简称外空 我国还称为天 它是指地球稠密大气层以外广袤的空间区域 通常把离地球表面100 120公里以上的区域称为外层空间或人类的第四环境 显而易见 这个第四环境可到达无穷远的宇宙深空 故而又称宇宙空间 简称太空 然而 就在人类新进入的这一第四环境中 收藏着极其丰富的空间资源 仅就近地的外空领域来看 可利用的空间资源就有 相对地面的高位置资源 微重力环境资源 高真空 高洁净环境资源 超低温资源 太阳能资源 月球及其行星资源等 航天工程大致经历四个发展阶段 20世纪初 俄国科学家齐奥尔科夫斯基首先系统地提出利用液体火箭进行宇宙活动的理论 1957年10月4日 人类发射第一颗人造地球卫星进入轨道 标志航天工程从理论到应用的开端 第一阶段 1957 1960年 初期试验阶段 第二阶段 1960 1964年 实际应用试验阶段 在所发射的人造天体上使用了各种特殊仪器设备 利用空间特殊环境条件 收集各种探测数据 遥感天空和地面 转送各种信息 进行各种特殊实验 把太阳能转化为电能等 人首次飞出大气层 第三阶段 1964 1979年 载人飞行基本技术取得显著进步和迅速发展 60年代中期 美国开始在太空部署各种卫星网 美 苏两国通过各自的载人飞船计划证实人在宇宙空间的生活和工作能力 通过对行星的空间科学探测 发展了人类对宇宙空间的科学认识 阿波罗计划使人类首次登上月球 美国的旅行者I号 II号等行星探测器仍在太阳系里航行 天空实验室和礼炮号试验性空间站 为开发宇宙展示出广阔的前景 第四阶段 1980年到现在 可称为航天飞机阶段 航天工程的发展主要方面 开发月球 建立太空城 建立空间发电站寻找地外文明 空间技术 铺向通天路 空间技术又称航天技术 它是探索 开发和利用太空以及地球以外天体的综合性工程技术 它是高度综合的技术 分三大组成部分 1 航天器 航天器 飞向宇宙空间或在宇宙空间飞行的所有装置的统称 如运载火箭 人造卫星 航天飞机 空间站 空间探测器以及其他各类宇宙飞行器 其中有些利用非喷气推进原理 如太阳帆等 航天器一般分两类 近地轨道宇宙飞行器 它们在地球引力作用范围内 围绕地球作轨道运动 如人造地球卫星 近地轨道航天飞机等 行星际宇宙飞行器 它们飞出地球引力作用范围 进入太阳 其他行星或其天然卫星的引力范围 人航天器 人造卫星1957年 苏联发射成功第一颗人造地球卫星 人类已向宇宙空间成功发射近2500颗各种用途的卫星 分三类即科学卫星 应用卫星和试验卫星 人造卫星的基本组成部分为 星体 电源系统 通信系统和各种仪器设备系统 空间探测器 主要为月球探测器 行星和行星际探测器 研制和发射行星际探测器的主要目的 是对月球及太阳系内各行星进行系统考察 研究月球 火星 金星 木星 土星 天王星及其卫星等 发射最多的是火星探测器 载人航天器 宇宙飞船 空间站 航天飞机和空天飞机等 宇宙飞船比卫星大 可以乘人 配备维持生命的系统和返回设备 空间站比宇宙飞船大 携带更多的仪器设备 航天飞机象火箭一样垂直起飞象飞机一样水平着陆 空天飞机和飞机一样水平起落 宇宙飞船和航天飞机主要是为空间站运输物资 人员 人造飞船 1961年4月 第一艘载人飞船进入地球轨道 载人空间技术研制规模日益扩大 美国的水星 双子星座 阿波罗和天空实验室 苏联的东方号 上升号 联盟号和礼炮号 1995年美国 阿特兰蒂斯 号航天飞机与前苏联 和平 号空间站对接 至今已对接多次 载人研究经过三个阶段 第一 把人送入地球轨道并安全返回 第二 发展载人空间基本技术 如轨道机动飞行 交会 对接以及考察宇航员出舱活动能力等 第三 发展小型实验性空间站 进一步考察人在长期空间条件下的生活和工作能力 利用在空间轨道上失重 真空等条件和空间站无菌 无污染的环境 进行地面上不能进行的科学实验 特殊产品的制造 各种无重力条件下的生物实验等 空间站 它的要任务是研究人对空间环境的适应能力 其次是控测天体 观察地球 试制新材料和进行生物学试验等 空间站是个多舱的组合体 根据使用情况大致分为生活舱 工作舱 服务舱和对接舱 生活舱是宇航员吃饭 睡觉 个人卫生和娱乐活动的地方 能提供正常的生活环境 工作舱是宇航员进行各种科学技术研究和实际应用研究的场所 装有进行科学研究所需要的仪器设备 有时也称工作舱或者仪器设备舱 服务舱主要用来承装动力和能源系统 如发动机 高压气瓶和电源等 初期的空间站主要靠太阳电池帆板供电 将来的大型空间站可以靠装备原子能发电站供电 对接舱与空间站的停靠码头 宇宙飞船和航天飞机等空间飞行器通过对接舱与空间站实现停靠 以便进行人员轮换 物资供应和废物处理等 空间站一般比人造卫星和宇宙飞船大得多 乘员也多 可为宇航员和专家提供较充裕的活动场所 由于空间站创造了人能长期生活的环境 对乘员要求不十分严格 可根据需要选派各种专家去空间站长期工作 航天飞机 既是一种运送空间飞行器的运载工具 又是一个载人的空间飞行器及兼备航空飞机特点的火箭飞机 可重复使用是航天飞机区别于所有消耗性运载火箭的最基本标志 航天飞机发射成功对使用一次性火箭作为运载工具的方法是个突破 也是航天工程从初期发展进入到提高效率 节省费用 扩大活动规模阶段的重要标志 2 运载器 主要是把人造天体或宇宙飞船运送到预定轨道上去的火箭 通常为多级运载火箭 但现在发展到有航天飞机 空天飞机 运载火箭的外形象一支削过的铅笔 火箭整体由结构系统 动力系统和控制系统三部分组成 3 地面测控系统 地面测控系统在地面航天器进行跟踪 遥控和保持通信联系 卫星在转移轨道上运行时 地面测控站要精确测量它的姿态和轨道参数 并随时调整它的姿态偏差 当卫星在预定的点火圈运行到远地点时 地面测控站发出指令 让卫星上的远地点发动机点火 使卫星提高飞行速度 并改变飞行方向 进入地球同步轨道 如要进入地球静止轨道 则需用卫星上的小推力发动机调整它的运行速度 使它慢慢地到达预定的经度上空 空间技术的原理 万有引力和宇宙速度反作用推力和运载火箭太空轨道和航天器的运行 空间技术的