空间技术与海洋技术

空间技术与海洋技术,第一节空间技术,空间技术：又称航天技术，是探索、开发利用太空及地球以外天体的一门综合性技术。太空泛指宇宙空间，即大气层以外的外层空间，是人类在陆地、海洋、大气层空间以外的第四活动领域，被称为第四环境。航空：人类在大气层内的航行活动。航天：人类在大气层外到太阳系内的航行活动。,一、空间和空间资源,1、空间：人类的第四环境人类逐步扩展的活动范围：从陆地海洋大气层(稠密空间)外层空间人类的第一环境：陆地人类的第二环境：海洋人类的第三环境：大气层人类的第四环境：外层空间,简称宇宙空间或太空,一、空间和空间资源,1、空间：人类的第四环境“天”(外层空间简称外空)的两种理解：地球大气层以外的无限遥远空间称之为“天”地球大气层外、太阳系以内的有限空间叫做“天”通常把离地球表面100120km以上的区域称为外层空间第四环境可到达无穷远的宇宙深空。,一、空间和空间资源,2、进入第四环境需要克服的难关克服地球甚至太阳系的万有引力。克服真空。适应剧烈变化的温度环境。防止有害辐射。,一、空间和空间资源,3、第四环境中蕴藏着的空间资源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。,二、空间技术：铺向通天路,空间技术：涵盖航天技术和航宇技术由于在相当长的时间内，人类主要还是在太阳系内从事活动，因此，当今把航天技术和空间技术视为同义词已得到公认。目的：利用空间飞行器作为手段来研究发生在空间的物理、化学和生物等自然现象。,二、空间技术：铺向通天路,1.空间技术的主要特点空间技术是一门高度综合性的科学技术，是很多现代科学和技术成就的综合集成。空间技术是一门快速的、大范围的、在宏观尺度上最能发挥作用的科学技术。空间技术对国家现代化和社会进步具有重要作用。空间活动也是高投入、高效益、高风险的事业。,二、空间技术：铺向通天路,2.空间技术的作用全波段天文观测(摆脱了大气层阻碍，可以接收到来自宇宙天体的全部电磁辐射信息)实现对空间环境的直接探测以及对月球和太阳系大行星的逼近观测和直接取样观测迅速而大量地收集有关地球大气、海洋和陆地的各种各样的电磁辐射信息，直接服务于气象观测、军事侦察和资源考察等方面实现全球卫星通信、广播、导航和大地测量(卫星作为空间无线电中继站)在航天器上进行各种重要的科学实验研究(利用空间高真空、强辐射和失重等特殊环境),二、空间技术：铺向通天路,3.空间技术的意义1)空间技术使人类进入第四环境。2)在科学技术上，空间活动带动和促进了众多学科的发展。尤其使现代通信技术跃入崭新时代，目前2/3以上的洲际通信由通信卫星承担。3）在经济上，太空活动具有很高的经济和社会效益。4）在军事上，占有空间优势就具有军事战略优势。5）在政治上，空间技术极大地提高了国家在综合国力及其在国际活动中的地位。,三、空间技术的原理1.万有引力和宇宙速度,万有引力定律,第一宇宙速度(7.9km/s)：使物体绕地球作圆周运动,第二宇宙速度(11.2km/s):摆脱地球引力束缚，飞离地球,第三宇宙速度(16.7km/s):摆脱太阳引力束缚，飞离太阳系,2.反作用推力和运载火箭,1500km高空，空气分子=3.21010/3,浮力太小。,1903年齐奥尔科夫斯基提出火箭公式,v为终速,vP喷气速度,M0为原始质量,M为所剩质量,多级火箭接力办法:在火箭垂直发射时，让最下面一级先工作，完成任务后脱离，接着启动上面一级，进一步提高速度。,三、空间技术的原理,3.太空轨道和航天器的运行,低轨道卫星一般直接入轨，即火箭连续工作，当最后一级火箭发动机关机时，卫星就可进入预定轨道。中、高轨道卫星常常滑行入轨。其发射轨道由火箭发动机工作时的主动段、发动机关机后靠惯性飞行的滑行段和发动机两次工作时的加速段组成。地球静止轨道卫星常常采用过渡转移轨道入轨。,三、空间技术的原理,四、空间技术的三大组成部分,三大组成部分：航天器、运载器、地面测控系统航天系统：运载器、航天器、发射场和回收设施、航天测控、数据采集网和用户台站(网)等互相配合,协调工作，共同组成的系统。1.航天器(亦称空间飞行器、太空飞行器)：飞向宇宙空间或在宇宙空间飞行的所有装置的统称。航天器按原理分：近地轨道宇宙飞行器行星际宇宙飞行器,按应用分：,无人航天器,载人航天器,卫星式，登月式,空间技术三大组成部分,空间技术三大组成部分,航天器的设计要求标准化和星体结构的积木化,可根据不同任务的需要，换装不同科研或应用方面的有效载荷。既有利于卫星的总装和测试，又便于利用航天飞机对卫星进行空中维修和更新。,航天器分成两个舱:标准化公用舱专用设备舱,具有电源、推进、姿控、通信与数据处理等多种基本功能,航天器基本上是无动力的，依靠运载火箭，通常为第二级火箭提供的初速来运动。运载火箭在燃料耗尽后就自动分离，向地球下落；航天器或者进入绕地球轨道，或者在给以一定动量情况下，继续飞向太空目的地。,航天器现阶段采用的三种电源(带动所携带的各种设备)太阳能电池(多用于不载人的航天器)化学能电池(载人航天器上通常用燃料电池,有时则为燃料电池与太阳电池的组合)核能电池(美国的深空探测器“先驱者”号和“旅行者”号用了小型的核反应堆提供电源),空间技术三大组成部分,在空间轨道上环绕地球运行的无人航天器人造地球卫星的轨道分类按形状：圆轨道；椭圆轨道。按离地球的距离：低轨道（500千米以下）；中轨道（600-2000千米）；高轨道（2000千米以上）。按飞行方向：顺行轨道；逆行轨道；赤道轨道；极地轨道；具有特殊意义称谓的轨道：近地轨道；地球同步轨道；对地静止轨道；太阳同步轨道。,1）人造地球卫星,中国卫星,1970.4.242002.7，成功地发射了16种类型49颗国产卫星：科学试验卫星：9颗(“实践”1号、2号、4号、5号）技术试验卫星：3颗返回式卫星：17颗（成功16颗）通信卫星：10颗（“东方红”2号、2号甲、3号等）气象卫星：5颗（“风云”1号、2号等）资源卫星：2颗（“资源”1号、2号）导航卫星：2颗（“北斗”导航试验卫星）海洋卫星：1颗,人造卫星的种类和应用,按用途：科学卫星；技术试验卫星；应用卫星。科学卫星：空间物理探测卫星天文卫星。应用卫星：无线电中继类，如通信卫星，海事卫星，广播卫星。对地观测平台类，如气象卫星，资源探测卫星，侦察卫星。导航定位基准类，如导航卫星，测地卫星。,2)探测器研制和发射行星际探测器的主要目的:对月球及太阳系内各行星进行系统考察与研究,行星际探测器主要采用三种飞行方法：从目的星旁飞过绕目的星运转,成为目的星的卫星穿过目的星周围大气层，在目的星上着陆（分硬着陆和软着陆）。,空间技术三大组成部分,载人航天,人类驾驶和乘坐航天器从事探测、试验、研究和生产的往返飞行活动。1.载人航天器的分类天地往返运输机载人飞船，航天飞机。空间站2.飞船和登月壮举：能保障航天员在太空短期生活和工作，执行航天任务并返回地面的航天器。1961年4月12日世界第一位航天员尤里加加林乘坐“东方号”飞船环绕地球一周，安全返回地面。1969年7月16日美国“阿波罗”11号飞船载3名航天员进行首次登月活动。,载人航天器需要配备维持生命的系统和返回设备,需要精确的对接技术,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、交汇、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。,空间技术三大组成部分,4)空间站空间站的主要任务：研究人对空间环境的适应能力控测天体、观察地球、试制新材料和进行生物学试验等,空间站的主体结构：生活舱工作舱(仪器设备舱)：宇航员进行各种研究的场所服务舱：承装动力和能源系统对接舱,空间技术三大组成部分,4)空间站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。,空间技术三大组成部分,5)航天飞机航天飞机是一种多用途航天器。它能满足发射、修理和回收卫星以及运送人员、物资等需要，可多次重复使用，显著降低了运载成本。它的出现是航天技术发展的一次飞跃，代表了载人航天器的发展方向。,空间技术三大组成部分,2.运载器：人造天体或宇宙飞船运送到预定轨道上去的火箭,按不同飞行任务，运载火箭分三类：(1)探空火箭:携带仪器射向高空进行大气测量(2)弹道式导弹:携带各种弹头打击敌方目标(3)卫星(飞船)运载器:把卫星或飞船送上轨道,空间技术三大组成部分,3.地面测控系统：地面对航天器进行跟踪、遥控和保持通信联系；精确测量飞行器的姿态和轨道参数，并随时调整它的姿态偏差。,火箭之父,齐奥尔科夫斯基（1857-1935）出生于俄国梁赞州。1903年发表专著利用喷气工具研究宇宙空论证喷气工具用于星际航行的可行性，推导出了著名的齐奥尔科夫斯基火箭公式。该公式的创立奠定了宇宙航行的理论基础。书中他首次提出了使用液体火箭的设想，认为固体火箭推进剂产生的能量较小，而且难以控制，而液体火箭则可以克服这些缺点。此外他首次论证了利用多级火箭克服地球引力的构想。在他的科幻小说中，提到了宇航服、太空失重状态，登月车等，设想和现代太空技术完全一样。,运载火箭的组成,位于火箭本体上：有效载荷；箭体结构；推进系统；制导系统。有箭上和地面分系统：安全系统；遥测系统；外弹道测量系统。,运载火箭的飞行,垂直起飞段转弯飞行段过渡飞行段,运载火箭的发展,中国先后研制成功12种长征系列火箭,覆盖了近地轨道、太阳同步轨道、地球同步转移轨道的低、中、高轨道范围,近地轨道运载能力达到9.5吨,地球同步转移轨道运载能力达到5.1吨,基本上满足了发射不同用途、不同重量卫星的需求。长征系列火箭已完成90次飞行，1996年10月以来航天发射连续48次成功。,五、航天工程的主要发展方面,1.开发月球地球上已有的各种元素月球上都有，而地球上没有氦-3的储量相当丰富，可用作核聚变的原料。研究从近地空间扩展到远地空间，从内行星扩展到外行星，对太阳系所有行星进行跟踪观测。进一步掌握有关行星大气、行星上火山和地质学方面的知识，为认识太阳系演化理论、生命起源等基本问题增添新内容。研究高能天体，有可能找到新能源。,2.建立太空城在地球和月球引力平衡的空间建造巨大的转轮，本身自转，以使在其内产生惯性力场，即人造重力效果。材料：主要来自小行星电力：来自太阳城内农作物一年四熟，可供近万人在空间站内长期生活和工作。预测，一个世纪后，居民达10亿。还可以作为宇宙飞船的码头和基地,操作：用火箭将太阳能发电卫星发射到空间轨道上，发电卫星在太空将太阳能转化成电能，电能通过微波发生器把直流电转换成微波电能，通过微波传送到地面接收电站，再向用户供电。,空间发电站组成：太空部分太阳能发电卫星(在比地面上高4-5倍的空间地球同步轨道上建立太阳能电站。)地面部分接收电站。,3.建立空间发电站若用空间太阳能发电，可获得相当于目前世界发电总量5万倍以上的电力。,试验表明,天上生产的单晶体可比地面上的大10倍在零重力条件下，晶体的晶格排列整齐，晶体生长均匀，大大提高晶体的完善性。如干扰素.,4.建立空间工厂利用外层空间特殊的环境和条件(如高真空、强辐射和航天器产生的零重力)加工生产某些性能优异的新材料、新产品的大型航天器。,太空工厂生产任务两种类型:(1)利用零重力、高真空的空间环境，生产地球上急需的优质大型单晶体、火箭和航天用器的高强度复合材料、光学仪器用高级玻璃、原子反应堆用的耐高温金属材料及高纯度药品等。(2)开发月球或其他行星上的原材料，生产空间用的大型结构，如光学与射电天文观测仪器、远空间研究实验室、太阳能发电站和永久性空间住宅等。,5.建立太空农场,美、日、欧21世纪太空计划重点研究项目：植物在密封太空舱内进行长期实验。太空农场可能建成球冠状，利用其外面可以转动的反射镜调节室内温度，从而使植物处于像地球上的生长环境一样。太空农场种植庄稼，无需除草和喷洒农药，所以没有污染，生产出的蔬菜和水果非常洁净。,宇航专家们预测，未来的某一天，帆飞船将踏上飞往另一颗恒星的旅程。这将需要边长1000米、密度每平米0.1克的帆。此外，还需要建造一个强力激光器或微波源，为飞船提供辅助能量。飞船将依靠绕地球轨道运行的、比太阳光强6倍的强力激光器和一个置于土星和海王星间的面积为得克萨斯州大小的巨型聚焦透镜提供能量。这样飞船即可在太空以1/10光速的速度飞行，在40年时间内即可到达距我们最近的阿尔法半人马座恒星。,6.寻找地外文明,第二节海洋技术,海洋是人类最后的边疆，从人造卫星上看地球，地球是个蔚蓝的大圆球，那是大气层和水层的反射光形成的景象。地球总面积约为5亿平方千米，其中陆地面积约149亿平方千米，只占地球表面的29，而海洋面积约3.61亿平方千米，占地球表面的71。地球上的海洋水估计有13.7亿立方千米，占了地球总水量的94.2。地球在太阳系的成员中，得天独厚，充满了水。,一、海洋:巨大的资源宝库,最早出现的是原核生物，后来发展到真核生物。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，开始了陆上植物的进化。,海洋是生命是的摇篮:地球上最早的生物出现在海洋(30亿年前生命诞生)目前地球上80%的生物资源在海洋中,今天地球上的生物种类动物:100万种植物:40万种微生物:10万种海洋生物:20万余种,在不破坏生物平衡的条件下，海洋每年可提供30亿吨水产品，能够养活300亿人口。在海洋水产品中，人们吃得最多的是鱼类。全世界有鱼类2万多种，中国海域约有2000种。,一、海洋:巨大的资源宝库,据调查，地球上生物资源的80是在海洋中，海洋中的动植物多达几十万种，仅鱼类就有二万五千多种，可供提炼蛋白质和抗菌素药物的生物就更多了，达30多万种。中西药中所用的上百种海味以及鱼肝油、精蛋白和胰岛素等药物都来自海洋生物。可供食用的水产资源，在不破坏生态平衡的情况下，每年可以开发30多亿吨。但目前人类每年的捕捞量仅为7千万吨至9千万吨，还不到其中的130。地球上生物的生产能力，每年约为1540亿吨有机碳，其中1350亿吨来自海洋，等待着人类去开发。,巨大的海洋资源宝库:巨量的多金属结核,其中锰含量约2000亿吨海底磷矿、硫化矿、砂矿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；,含30多种金属元素:锰25%,铁14%,镍1.9%，铜0.5%，钴0.4%,大洋底的宝藏之一-锰结核,结构:团块-以岩石碎屑，动、植物残骸的细小颗粒，鲨鱼牙齿等为核心，呈同心圆一层一层成的，像一块切开的葱头。由此被命名为“锰结核”，又称它为多金属团块。大小尺寸变化从几微米到几十厘米，重量最大的有几十公斤。,大洋底的宝藏之一-锰结核,生存:海洋2000-6000米水深海底的表层，4000-6000米水深海底的品质最佳。总储量:估计在30000亿吨以上。其中以北太平洋分布面积最广，储量占一半以上，大约17000亿吨。锰结核密集的地方，每平方米面积上有100多公斤。生长速度:平均每千年长1毫米，每年增加1000万吨。,问题:锰在海水中的含量并不算多，但什么却会在蒙结核中独占鳌头呢?锰结核的成因?,锰结核的物质资源,大致有四方面:来自陆地，大陆或岛屿的岩石风化后释放出铁、锰等元素，其中一部分被海流带到大洋沉淀；来自火山，岩浆喷发产生的大量气体与海水相互作用时，从熔岩搬走一定量的铁、锰，使海水中铁、锰越来越富集；来自生物，浮游生物体内富集微量金属，它们死亡后，尸体分解，金属元素也就进入海水；来自宇宙，有关资料表明，宇宙每年要向地球降落2000-5000吨宇宙尘埃，它们富含金属元素，分解后也进入海水。,最具开发利用价值的海岸带砂和砾石：,海岸带砂和砾石由各种途径进入海洋的泥沙和尘埃中包含有各种不同的元素。不同成分的尘埃颗粒，密度、比重不同，粒径大小不同，扁、圆形状也有差异。这些特征各异的矿物碎屑，在波浪、海流作用下，分别聚集沉积在一起，就形成了海滨砂矿床。,海滨砂矿大宗应用：建筑用砂和砾石。70年代以来，世界每年开采海滨建筑用砂和砾石的价值，也在2亿美元以上。,一、海洋:巨大的资源宝库,海洋矿藏资源：科学家们已经发现，海水中蕴藏着80多种元素，诸如金、银、铜、铁、铝、钨、汞、锑、氧、镁、溴、碘、铷、铯、镍、铀、锶等等，陆地上有的一切矿物资源，大海底下都有。海洋能源：潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能和海水盐度差能。,除海上通道之外，人们正在开拓新的利用领域，包括建设海上城市、海上机场、海下桥梁、海底隧道、海底隧道等，以期拓展人类生存的空间。,海洋空间正引起人们越来越大的兴趣：,海水本身也是一种重要资源，它不仅可以通过脱水处理变成淡水，还可以直接用于工业冷却、印染、清洁、消防，甚至将来有可能用于农业灌溉。,从现代海洋技术的发展来看，目前主要集中在海洋探测技术和海洋资源开发技术两部分。,二、海洋探测技术,人类用科学方法大规模、系统地对世界海洋进行考察大约有50年左右。,海洋探测技术主要方面：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在空中进行监测的飞机、卫星,1.科学考察船海洋科学考察船的任务：调查海洋、研究海洋它调查的主要内容有海面与高空气象、海洋水深与地貌、地球磁场、海流与潮汐、海水物理性质与海底矿物资源(石油、天然气、矿藏等)、海水的化学成分、生物资源(水产品等)、海底地震等。,大型海洋调查船性能要求：稳性和适航性能好，能经受住大风大浪的袭击。船上的机电设备、导航设备、通讯系统等先进燃料及各种生活用品的装载量大具有优良的操作性能和定位性能,日本海洋科学技术中心宣布，他们研制的无人驾驶深海巡航探测器“浦岛”号，在3000米深的海洋中行驶了3518米，创造了世界纪录。“浦岛”号全长9.7米、宽1.3米、高1.5米、重7.5吨，水中行驶速度为4节，巡航速度为3节，最大潜水深度是3500米。“浦岛”号上安装着高精度的导航装置及测试仪器，使用锂电池作动力。这艘无人驾驶的深海探测器，使用无线通信手段向海面停泊的母船“横须贺”号上传送了用水中摄像机拍摄的深海彩色图像。日本海洋科学技术中心认为，这一装置在世界上居领先地位。以这次航行试验成功为基础，海洋科学技术中心还计划开发性能更高的无人驾驶深海探测器，并且使用燃料电池作动力源。,2.潜水器核潜艇活动范围：300400米的海洋深处现状：占地表77%以上面积的海洋深处3000米潜水器征服了深海,潜水器深海探测的工具，进行水下工程的重要设备,1953年，法国人奥古斯特皮卡德设计建成的“里雅斯特”号自航式浮水器，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。,3.海洋卫星主要技术:传感技术,海面温度分布图:测量海面的温度及其特征，对数据分析并打印成表,海浪高度:即主动微波遥感(雷达成像系统)，利用海面“粗糙度”不同的原理来进行分析处理卫星上向海面发出雷达波：无浪平静海面(光滑面):雷达波发生镜反射,雷达接收不到回波。海面有波浪(“粗糙”面):雷达波向各个方向散射，发生漫反射，雷达收到一部分回波。电脑算出海面的“粗糙”度，从而得知海浪的高度。,海洋地质调查主要技术手段：利用人造卫星导航、全球定位系统(GPS)、无线电导航系统，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方法，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。,三、海洋资源开发技术,1.海洋石油和天然气开发中东地区:石油储量最多,占56.8%；欧洲:天然气储量最多,占54.6%亚洲、大洋洲:石油、天然气只有5%在海洋进行石油和天然气的勘探开采工作要比陆地上困难多。必须具备一些与陆地不同的特殊技术，如平台技术、钻井技术和油气输送技术等。,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。未来海洋农业发展的主要方向:海洋水产生产农牧化：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。蓝色革命计划：着眼于大洋深处海水的利用。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。这项工作将