航天与物理学.doc

大纲：一、航天技术的发展二、火箭技术与动量、机械能守恒1. 火箭推进原理2. 多级火箭三、人造卫星技术1. 人造卫星的运行轨道2. 人造卫星与通信技术四、载人航天技术1. 载人航天工程七大系统2. 载人航天器的种类及其特点3. 航天飞机的构成、运行过程五、登月技术与火星探测1. 登月技术2. 火星探测六、中国航天史航天与物理学“火箭之父”俄国科学家齐奥尔科夫斯基说过“地球是人类的摇篮。人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼地穿过大气层，然后再去征服太阳系空间”。开发宇宙，是人类长期以来的梦想，随着科学技术地不断发展，高新技术不断地涌现，20世纪50年代开始兴起的航天技术使人类飞向宇宙的梦想得以实现。航天，是相对于航空而言，它是指人类冲出大气层克服地球引力在太阳系内进行的行星际航行及其有关的活动。用于航天的人造天体称“航天器”有火箭、人造卫星、载人飞船、航天站、航天飞机及行星际探测器等航天器的运行轨道以地球为中心的称近地”，以月球为中心的称近月”，以太阳为中心的称近日”，当然也可以环绕其它行星运行。一、 航天技术的发展人类很早就有了航天的思想，我国古代流传的“嫦娥奔月”、吴刚砍桂”等传说故事，就是对人类航天理想的生动描绘之一。当然，人类真正实现这种理想是到19世纪末才开始起步的从那时起，相继涌现出俄国的齐奥尔科夫斯基，美国的戈达德和德国的奥伯特等富于探索精神的航天先驱者。俄国的奥尔科夫斯基最早从理论上证明用多级火箭可克服地球的引力而进入太空，建立了表征多级火箭理想速度的著名的齐奥尔科夫斯基公式。而且他肯定了液体发动机是航天飞行器最适宜的动力装置。美国的戈达德是液体火箭的创始人。他曾指出，要克服地球引力，火箭必须具有每秒79公里的速度。他在1921年开始研制液体火箭发动机，1926年3月16日，他研制的液体火箭飞行成功。德国的奥伯特也是最早的火箭和航天的理论家和实践者。1923年奥伯特论述了火箭飞行的数学理论，并对火箭结构和星际飞行提出了许多新观念。到了1942年10月3日，德国太空协会的青年专家布劳恩领导的航天研究小组，经过艰苦的探索，在总结历次失败教训的基础上，终于发明了再生冷却式燃烧室和燃气舵等新技术。采用这些新技术，终于获得弹道导弹（V2）的发射成功。从而在工程上实现了航天先驱者的技术思想，取得向地球引力挑战的胜利，并对后来大型火箭的发展起到了继往开来的重大作用。堪称是人类航天发展史上的一个里程碑。第二次世界大战后，前苏联和美、法、日、加拿大、澳大利亚等国家，都先后发射了探空火箭，创造出发射393公里高度的纪录，获得了许多高层空间的宝贵资料，为发展航天奠定了科学基础。经过10多年的艰苦探索之后，于1957年10月4日，前苏联把世界上第一颗人造地球卫星送入大气层外的运行轨道，开创了人类航天史的新纪元。以后，美、英、法、日和中国、印度等国均成功地发射了人造卫星。自60年代中期开始，卫星的发展便从探索试验转入实用阶段。如今，人类发射的侦察、预警、通信导航、天文气象、海洋监视、测地探矿等应用卫星巳超过2500颗。它们在经济、军事和科研中发挥了非常大的作用 随着航天技术的发展，人类不断刷新航天纪录创造出一个个惊人的奇迹。诸如：1961年4月12日开辟了载人航天的成功之路；从1959年开始又开创了对月球的探测和人类登月考察的新篇章；自70年代起，人类对太阳系中的行星先后进行了探测，前苏联和美国并相继在空间建立了航天站；80年代初又发明了能重复使用的航天飞机等等。这些令人鼓舞的成就，对航天技术及其它科学领域的发展都具有深远的历史意义。二、 火箭技术与动量、机械能守恒1. 火箭推进原理 所有航天器的发射都依靠火箭技术，而火箭的飞行是遵循着质点系动量定理和动量守恒的。竖立在发射架上的火箭本身带有燃料和氧化剂，火箭在发射前总动量为零，当点火燃烧后，高温高压的气体不断从火箭尾部的喷管往后喷出，从而使火箭获得向上的巨大推力，克服自身的重力，向太空冲去。下面我们看一下火箭所受的推力大小和火箭的运动速度。（1） 火箭推力大小 运载火箭的推力是火箭设计中的一个重要指标。当燃气从大气尾部喷出时，将产生的一个推力使火箭升空，这个推力可近似由下面的方法计算。 将总系统分为火箭和喷出气体两个子系统，假设总系统在t时刻向上运动的速度为v，在dt时间内喷出运动速率恒为u的燃气，质量dm2。则可以计算燃气在dt时间内的动量变化：t时刻：燃气对地速度为 v，动量为 vdm2 ，tdt时刻：燃气对地速度为（vdvu），动量为（vdvu ）dm2 ，所以动量的变化为dvdm2udm2，如果略去两级小量dvdm2，可得燃气的动量变化为udm2。按动量定理，燃气受到的箭体的推力为：， 它的反作用力就是火箭受到的燃气的推力： F， （1）结果表明火箭推力正比与喷气速度u和喷气质量流量。例如运载阿波罗等月飞船的火箭，它的u2500m/s，1.4104kg/s，代入公式可得：F3.5107N。（2）火箭的速度火箭是依靠连续不断的喷出大量质量m极小的燃料气体才得到连续平稳的加速上行。为了进一步说明火箭在这一过程中获得的速度，先不考虑地球的重力作用，将质量为M的火箭中的燃料燃烧后喷出的燃料气体看成质量为m（远小于M）、相对火箭速度为u的细小弹丸，由于火箭不受任何外力，因此火箭系统总动量守恒，当弹丸以速度u向后喷出，火箭就获得与弹丸等量而方向向前的动量，由于燃料不断燃烧，火箭体的质量就不断减小，因而火箭是一个变质量体系，我们用动量守恒来计算火箭最后得到的速度。首先看一下火箭和燃料的质量关系，在t0的时刻火箭的总质量M，在t时刻火箭的质量为M(t)；到t时刻为止已喷出的燃料气体质量为m（t）。因为在这过程中，系统的质量是守恒的，我们可以得到：M（t）m（t）M微分后： dMdm0 或者 dMdm即在dt时间内喷出气体的质量dm等于火箭质量减小的质量dM （dM0，则e1,轨道为双曲线；若E0=0，则e=1,轨道为抛物线；若E00，则e7.9km/s 。这样，探测器就以这个速度为初速进入一条能以惯性飞行脱离地球引力场的过渡轨道。这条地球引力作用范围内的过渡轨道不妨称为地球过渡轨道。它是以地心为焦点的双曲线轨道。为了使探测器能飞达火星，在入轨点的地心距等于地球平均半径（6371km）即入轨点在地球表面或停泊轨道沿地球表面时，地球过渡轨道的初速不得小于11.57km/s。随入轨点地心距的增加，这个初速的最小值会有所减小。当入轨点的地心距为6871 km（即停泊轨道高度为500 km）时，地球过渡轨道的初速值不得小于11 .16 km/s 。如若考虑到地球引力范围中存在月球时，那么还可以采用绕月飞行技术来降低地球过渡轨道的初速值。其原理可参见绕火心飞行阶段轨道。采用这种技术，地球过渡轨道的初速可以小于上段所述的最小值，但通过借用月球引力来加速，仍可使探侧器飞达火星。b）绕日心运动阶段的轨道火星探测器沿地球过渡轨道惯性飞行到地球相对于太阳的引力作用球范围时，探测器就进入绕日心的运动阶段。探测器绕日心作惯性飞行的轨道，又称为地球火星过渡轨道。探测器在地球火星过渡轨道相对于日心的初速（即入轨速度）等于入轨时地球绕太阳公转的速度与地球过渡轨道相对于地心的速度的矢量和。当这个初速v太 v逃太时，轨道为双曲线。采用何种地球火星过渡轨道，视入轨时地球和火星的相对位置等因素而定，以保证探测器沿轨道飞行能进入火星相对于太阳的引力作用范围。地球火星过渡轨道的初速不得小于32.7 km/s （大于地球绕太阳的公转速度298 kms）、且方向沿入轨时地球绕太阳公转绕的方向。探测器将沿一条在近日点与地球公转轨道相切、在远日点与火星公转轨道相切的双共切椭圆轨道飞向火星。这条双共切椭圆轨道远日点处相对日心的运动速度为21.5 km/s （小于火星绕太阳的公转速度24.1 km/s），方向与该时火星绕太阳公转的方向相同。这条双共切椭圆轨道是能量最省的地球火星过渡轨道。 c）绕火心运动阶段的轨道火星探测器沿地球火星过渡轨道惯性飞行到火星相对于太阳的引力作用范围边界时，探测器就进入绕火心的运动阶段。探测器绕火心作惯性飞行的轨道称为火星过渡轨道。火星过渡轨道相对于火心的初速（即入轨速度）为入轨时探测器相对于日心的速度与火星绕太阳公转的速度的矢量差，其量值大于零。如沿上节提到的双共切椭圆轨道作地球到火星的飞行，火星过渡轨道初速约等于2.6 km/s ，方向与该时火星绕太阳公转的速度方向相反。因此，火星过渡轨道是一条以火心为焦点的双曲线轨道。当这条双曲线轨道与火星相交时，探测器将与火星相撞或采取一定的减速措施后着陆于火星表面。当这条双曲线轨道不与火星相交，探测器在接近火星后又将离开火星，再次飞出火星相对于大阳的引力作用范围，由于探测器在火星引力作用下作惯性飞行时的机械能保持不变。这样，探测器飞出、进入火星相对于太阳引力作用范围时的相对于火心的速度相等，但这两个速度的方向不同。因此，当探测器顺火星公转方向进入时，绕火星飞行的结果是飞出时相对于日心的速度减小；反之，当逆火星公转方向进入时，飞出时相对于日心的速度增大。如若要使探测器成为火星的卫星，则需在预定位置处用火箭发动机的动力来减速，使其从火星过渡轨道转入绕火星的椭圆形停泊轨道运动。如若探测器还需要从这个停泊轨道上向火星表面着陆，则还需要采用变轨技术使其转入到一条能进入火星大气层的进入轨道。当探测器进入火星大气层后，再利用降落伞、着陆缓冲装置等措施使其在火星表面安全着陆。对于要从火星返回地面的探测器，还要经历与上述过程相反的3个飞行阶段以及从环绕地球的停泊轨道向地面返回的飞行阶段。(3) 一对孪生的探测器2003年 6月3日、6月10日和7月8日，欧州的第一个火星探测器携带“猎兔犬”2号着陆器的“火星快车”号探测器和美国分别携带“勇气”号、“机遇”号小型火星车的2个“火星探索流浪者”号探测器相继踏上奔向火星的征途。经过半年多星际旅行，美国的“勇气”号于美国东部时间2004年1月3日20时35分（北京时间4日12时35分）左右，在火星表面成功着陆。目前已经运行在火星轨道上有7个探测器，它们将对火星探测，这真是世界航天史上的一大奇观。“勇气”号和“机遇”号本来称为火星探测巡游车“A”和“B”，它们的任务是寻找火星远古时期液态水存在的证据。2003年 NASA征集关于这两漫游车的命名方案，从近10000个方案中，选中了9岁小姑娘索菲，考利斯的提案，于是这对挛生探测器就有了“勇气”和“机遇”的名宇。的确，探测火星是需要勇气的；而成功与否也需要机遇。图13 组装好的“勇气”号探测 器“勇气”号和“机遇”号由德尔塔”火箭发射入轨。“德尔塔” 火箭由三级火箭组成。第三级火箭分离后，进入巡航阶段，此时的探测器称为巡航级。在巡航过程中，探测器以2转分钟的速率旋转，达到自旋稳定，同时使携带的星扫描仪能够扫描恒星，以便为探测器提供姿态参考基准。此外，巡航期间要进行3次轨道修正。以消除导航误差和外部干扰造成的轨道偏离。到达预定的近火星轨道后，巡航级与着陆器分离，大约在距火里表面约120km的高度，着陆器以 8000ms左右的速度再入火星大气层；当高度降低到610km时，着陆器的降落伞打开，着陆器以 360450km的速度继续下降；当高度下降59km时，着陆器的防护罩分离，此时着陆器的速度是95130ms ；当距火星表面高度约300m时，着陆器的气囊开始充气，着陆器以05ms的速度下降，当距火星表面高度约为5070m时，减速火箭点火，最后着陆器以05ms的速度接触火星表面。着陆后着陆器弹起12次左右，并滚动约1km的距离。当着陆器静止后，气囊泄气并收回，着陆器外壳的三个花瓣打开，暴露出巡游车。此后巡游车的全景摄像机将对着陆点附近360范围内的景象进行彩色可见光和红外摄像，然后驶离着陆位置，开始执行探测任务，此后着陆器不再有任何用处。整个探测器质量为1063kg，其中巡游车质量为185 kg，着陆器质量为340 kg ，其他为整流罩、巡航级降落伞的质量及50 kg的推进剂。巡游车从结构上可分为车体、仪器设备箱、车轮及悬挂系统、视觉系统、机械臂及取样分析仪器、通信系统、导航系统、成像设备、温控系统等部分。巡游车有6个车轮，每个车轮有独立的驱动装置和悬拴系统，可以进行360的转动，以利于避障和转弯。巡游车有6块太阳电池帆板，是车上的主要能源来源，此外还有两个蓄电池，8个放射性同位素热发生器，为夜间供电使用。图13为组装好的“勇气”号探测器。为进行科学探测，“勇气”号和“机遇”号携带的科学探测仪器有全景摄像机、微型热散射质谱仪、莫斯保尔质谱仪、阿尔发质子 X射线质谱仪、显微成像仪、岩石研磨工具、 磁铁阵列等设备。“勇气”号和“机遇”号的