大学老师课件《现代科技概论》第5章-航天

第五章航天与航天技术,第一节概述航天活动是人类对地球以外空间的探测，当今航天活动大体可分为卫星应用、载人航天和深空探测三个部分。一、卫星的应用1957年，前苏联成功发射了人类历史上第一颗人造地球卫星(83kg)，开辟了人类探索太空奥秘的新时代。现在人类已经向太空先后发射了6000多个航天器，我国自1970年4月24日成功发射第一颗人造地球卫星(173kg)以来，至今大约共发射了140个航天器，约占2%。,目前在太空中运行的卫星有800多个，美国占一半以上，第二是俄罗斯，有80多个，中国约40个左右。,正在运行的卫星包括气象卫星、海洋卫星、资源卫星、通信卫星、导航定位卫星等。卫星对于人类社会的发展、经济的增长、科技的进步以及我们每个人生活质量的提高都发挥着重要的作用。例如，卫星通信、电视节目提供、远程教育以及定位导航等。在定位导航上，目前我们是使用美国建成的GPS全球卫星定位系统，这是一套非常精细、好用的系统。但它不是我国自己的系统，一旦发生战争或意外冲突，我们将受制于人。所以我们必须建立自己的卫星定位系统。,现在欧洲已建立了“伽利略”卫星导航定位系统，俄罗斯正在建自己的系统，我国第二代“北斗”卫星导航定位系统已达到一定规模，16颗卫星已能覆盖亚太地区。,现在太空中运行的所有卫星中大约70%是军事卫星，30%是民用卫星。统计各国家和地区的卫星投入产出比平均为1:10，而我国卫星的投入产出比计算下来约为1:131:17，可见我国的卫星事业还会有持续快速的发展。我国应用卫星发展的主要方向是加快对地观测系统、通信广播系统和导航定位系统等建设。同时所有的卫星都要从试验应用型向业务服务型转变，这是我国今后一段时间要努力实践的目标。,二、载人航天,载人航天，就是把宇航员送入太空。1961年前苏联宇航员加加林进入了太空，这是人类进入太空的第一人。此后各个国家宇航员陆续进入太空。2003年中国宇航员杨利伟搭载“神州五号”进入太空，这是第413位进入太空的宇航员。2005年我国两位宇航员进入太空。2008年9月“神州七号”搭载三名宇航员进入太空，特别是宇航员翟志刚实现了太空行走。使我国成为继美国和俄罗斯后第三个实现太空行走的国家。2011年9月我国第一个空间实验室“天宫一号”进入太空，同年11月“神州八号”与其进行了自动交汇对接。,2012年6月“神州九号”搭载三名宇航员与“天宫一号”先后完成了自动和手动对接，三名宇航员从载人飞船进入了空间实验室，并历经10天完成了动态水汽分离、航天医学以及更换传感器等实验。,目前由美国、欧洲航天局、日本、俄罗斯等16个国家和地区联合建设的国际空间站，总质量达420多吨,总体积约1200m3。与之相比，天宫一号只是一间小小的实验室,质量8.5吨,体积15m3。按照我国载人航天发展战略,2020年前后，我国将在轨组装能容纳6人同时工作的60吨级载人空间站。那时，随着目前国际空间站退役，中国“天宫”很可能成为太空中唯一的空间站。,建设空间站的目的，主要是在里面开展相关的科学实验，如生命科学、空间科学、航天医学、对地观测、天文观测等；还要进行一些产品的研制和开发活动。,众所周知，在地球表面生产产品难以摆脱几种影响：第一，地球表面的重力谁也脱离不开，而在空间站里是微重力；第二，地球有磁场影响，即使屏蔽影响也很大；第三，地球上有各种污染，一些高纯制品必须在太空中进行研制。另外，还可利用空间站进行卫星维修，甚至可以作为去月球和火星的中转站以及开展太空旅游。,三、深空探测,载人航天飞行的高度是340380千米，卫星最远距离可以达到36000千米，然而，这些都是围绕着地球在运动,还没有实现离开地球走向更遥远空间的愿望。深空探测是在前两项活动取得很大成就的基础上，脱离地球引力场，进入太阳系空间、甚至进入宇宙空间的探测活动。这种探测是21世纪科技竞争的重要焦点，是航天科技发展的必由之路。深空探测是人类探索宇宙的宏伟目标，是一个永恒的主题，具有广阔的发展前景。深空探测在21世纪可以说是对太阳系的探测，主要探测太阳系八大行星、各种小行星和卫星以及太阳本身。,21世纪人类还走不出太阳系，因为太阳系太辽阔。太阳系半径是10万个天文单位，一个天文单位是1.5亿千米(地球与太阳的平均距离)。按照第三宇宙速度(16.6千米/秒)估算，要两万多年才能走到太阳系的边界。,人类在20世纪5060年代已经开始探测地球的左右近邻-火星和金星，至今已探测40余次。70年代至本世纪初,人类已逐步具备了探测太阳系内各种各样小天体的能力。目前人类对太阳系的探测共进行了250次左右，除对火星和金星的40余次探测外，主要是对月球探测，截止现在，人类对月球的探测已达110多次。,总的说来，人类除对月球进行过较多的探测外，对太阳系其它天体的探测是比较少的。因此，人类对太阳系的认识仍然是很肤浅的。,月球探测是深空探测的起步，也是我们进行深空探测必须跨越的门槛。由于在月球探测中，飞行器主要受月球重力场的影响，围绕着月球运行，地球的影响已经是微忽其微了，所以月球探测属于深空探测的领域。月球与地球的平均距离是38.4万千米，探月飞行器要实现绕月运行或登上月球，必须达到第二宇宙速度(11.2千米/秒)，这样才能脱离地球的束缚到达月球。,第二节人类的探月活动,一、月球探测的重要意义除地球之外，人类对两个天体最熟悉。一个是太阳，另一个是月亮。太阳使地球万物生长，生机勃勃，其作用不言而喻。而关于月亮，世界上很多民族都有一些美丽的传说，如中华民族的“嫦娥奔月”、日本的月亮女神“辉夜姬”、古希腊的月亮神“太阳神阿波罗的妹妹”等。可以看出，全世界各个民族的月亮神都是女性。总的说来，月亮对古代的哲学思想、文化艺术的发展、农历的编制和指导农耕生产，都发挥了巨大的作用。从自然科学的角度如何认识月亮呢？,月球是地球的天然卫星，是距地球最近的一个天体，是人类飞出地球、开展深空探测的一个门槛。,我们可以在月球上建立对地球进行全面监测的基地，监测地球的气候变化、生态变化、重大灾害、重大的军事工程、重大建设的进展等。月球既是一个重要的研究基地，又是一个十分重要的军事平台。现代战争中制空权、制海权和制陆权虽然很重要，但是最重要的是抢占制天权，谁有能力控制地球的外空间，谁就能比较有效地赢得战争。月球是目前制天权中的制高点，是新的军事平台。另外，月球上的资源和能源，将对人类社会未来的可持续发展做出重大的贡献。,二、人类探月的经历,1.在地球表面观测月球早在1609年，伽利略利用自己制造的望远镜观测了月球表面。他给出的观测结果是，月球并不像我们所看到的晶莹的发出柔和光辉的天体，而是表面坑坑洼洼、非常难看、十分丑陋的。随着望远镜的进步，人们利用这种工具可以越来越清楚地描绘月球表面了。如月球表面的黑斑实际上是非常辽阔的平原，而不是最初被人们误认的什么风暴洋、丰富海、雨海、静海等海洋。黑颜色是火山喷出的玄武岩，不是水，月球上没有发现水。月球上有山脉和高地，这是由颜色较浅的斜长岩组成的。,应该说明：所有站在地球上的人只能看到月球的一半,谁也没有见到过月球的另一半。其原因是月球的自转周期和月球绕地球公转一周的周期是相等的。,2.利用空间探测器探测月球1958年，人类开始利用空间探测器探测月球。从1958年到1976年，全世界只有美国和前苏联两个国家有能力探测月球，两个国家进行了一场激烈的竟赛。在这场竞赛中,两个国家先后共发射了108个探测器，成功了52次，失败了一半以上。在成功探测的过程中，美国先后实现了6次载人登月，而前苏联实现了3次不载人登月。9次登月共采集月球样品382千克，其中美国采回381.7千克，前苏联三次无人取样只采回0.3千克。,三、载人登月“阿波罗计划”,在月球探测过程中，开始几乎所有领域都是前苏联领先。后来时任美国总统的肯尼迪下决心，要在60年代末把美国人送上月球，从而加快了“阿波罗计划”的实施。“阿波罗计划”从“阿波罗1号”到“阿波罗10号”，进行了长期艰难的技术突破工作。最后在1969年，“阿波罗11号”实现了载人登月，将两名美国宇航员送上了月球，其中阿姆斯特朗实现了人类第一次在月球上行走。完成首次登月任务的宇航员共有三人，由于“阿波罗”飞船到达月球上空后，需要有一名宇航员驻守在围绕月球飞行的留轨舱内，另外一个登月舱（直径34米）搭载两名宇航员着陆到月球上。,登月舱安全着陆月球后，宇航员出舱，在月球表面进行科学考查、埋设科学仪器并采集月球样品。然后返回登月舱启动发动机，使登月舱驶离月球表面，进入月球空间轨道，与在轨留守舱交汇对接后返回地球。,“阿波罗计划”是当时美国也是全球规模最大、耗资最多的科技项目，共花费了256亿美元，大约相当于2005年的1360亿美元。参加该项目的有2万多家企业、200多所大学、80多个研究所，总人数超过40万人。该项目带动了航空航天、军事、通信、材料、计算机及医疗卫生等各领域的快速发展，先后产生了3000多种新技术。按最近美国人的计算，“阿波罗计划”的投入产出比为1:14，是一项获得了巨大经济效益的科技项目。,随着“阿波罗计划”的进展，包括美国在内的许多国家曾表示过质疑。认为这是美国国家航天局（NASA）制造的一个阴谋，美国人根本没有登上过月球。,一位美国人曾写过一本我们从来没有到过月球的书(WeNeverWentTotheMoon)。作者在书中提出，美国国家航天局公布的“阿波罗”载人登月照片是假的。照片是在美国内华达州的沙漠里一个叫“梦幻之地”的军事禁区拍摄的。很多镜头是在摄影棚里伪造的。书中例举出照片上一个航天员出现两个影子,与月球上只有一个光源-太阳，是不相符的；另外，月球上没有空气，宇航员安插在月球上的国旗确在迎风飘扬，这是不可能的；等等。因此照片是在摄影棚里拍摄的。,质疑“阿波罗”载人登月的例子还有很多，但是根据相关的科学知识和理论都可以给出相应合理的解释，因此，“阿波罗”载人登月是真实的。,20世纪的“阿波罗计划”实现了美国宇航员的六次登月，先后有12名宇航员登上了月球。他们在月球上埋设了很多地震仪，现在已经先后接收到了一万多次小天体撞击月球和月震的资料；他们还安装了激光反射镜，借助此反射镜，人们可以精确地测量地球和月球之间的距离，其精确程度可以达到毫米级。载人登月“阿波罗计划”的成功,是美国科学家和美国人民为人类进一步深刻认识月球作出的巨大贡献。,四、进一步认识月球,月球的历史很简单，从46亿年前一直到31亿年前，月球有猛烈的火山和岩浆活动。到了31亿年，月球的内部由于能量的消耗，已经不再有强烈的活动了。现在与地球的壮年期相比，月球已进入了接近死亡的状态。月球大小约为地球的1/81，表面积3800万平方千米，约为我国4个陆地面积之和。月球与地球间的平均距离为38.4万千米。由于月球自转一周和绕地球公转一周的时间是相等的，因此月球的一天是地球的一个月，即月球一个白天和一个夜晚的时长都是地球的半个月时间。月球、地球和太阳相对位置的变化，产生日食或月食。,月球表面是高真空状态，约1014个大气压。由于高真空,所以没有声音传播,彼此听不到说话;没有温度传导,有太阳照射地方温度110130，没有太阳照射地方温度零下130150。相距1厘米,温差可达300。,月球表面被很多小天体撞击的千疮百孔。直径大于1千米的撞击坑有3万多个，直径大于1米的有3万亿个。由于小天体的撞击和日夜间极大的温差，月球表面的岩石变酥了，形成一层松散的土壤。在少数月球撞击坑底部发现了水冰，但含量很低，仅占土壤的0.3%1%。这可能是由冰雪和脏土组成的彗星撞击月球形成的。鉴于上述原因，月球上没有生命存在，甚至连有机化合物也没有被发现。但是，月球上有丰富的矿产资源。,月球上丰富的矿产资源是地球无法与之比拟的。特别是一些特殊的资源，如稀土、铀矿、钛矿等。其中月球上钛矿的分布面积相当于中国的全部陆地面积，其品位达到了攀枝花铁矿的品位。,月球上有两种能源。第一种是太阳能。照射到月球表面的太阳能的密度远大于地球表面，如果在没有遮挡的月球表面，每隔120o经度设一个太阳能发电站，并将其并联起来，就可以产生巨大的电能。而使用微波或激光将太阳能传输到地球上的技术已经解决了。月球上第二种能源是核聚变材料氦-3，这是地球上几乎没有的。据估算，月球表层土中氦-3的含量约100500万吨。用氦-3作为核聚变材料要比用氘和氚好得多。,利用受控核聚变(人造小太阳)发电，是全世界科学家奋斗的目标。现在大约有200多个人造小太阳在实验室进行研制。目前使用的核聚变材料主要是氘和氚。这两种材料的聚变反应产物中都有一个中子，而中子的防护是很困难的。如果用氦-3进行核聚变反应，其产物中会有一个质子，防护质子要比防护中子容易得多。,从环境看，月球与地球不同，月球是高真空，没有磁场,重力仅为地球的1/6,又高洁净、无污染,这些都为科学研究提供了特殊条件。另外，在军事领域，谁控制了月球，谁就控制了环地球的太空，也就控制了地球。当今，正是由于月球特殊的资源、能源、环境以及军事上的战略地位，推动了众多国家提出要重返月球。,第三节中国的探月计划-“嫦娥工程”,一、当今世界探月的动态2004年1月,时任美国总统布什宣布了美国新的航天计划。计划2008年发射无人探测器到月球，不过没有实现，到2009年6月发射成功。美国计划通过10年的无人探月，2018年让宇航员重返月球。2030年登上火星。对于美国重返月球的计划世界评论共有三点：第一，它保持了美国空间高科技的领导地位；第二，控制未来能源；第三，保持军事领先的优势。当时奥巴马就表示他赞成在2020年前载人重返月球的计划，并说这是向火星等更远空间迈进的前哨。,上世纪5070年代，前苏联先后发射了32个月球探测器，取得了探月的丰富经验。2005年，俄罗斯提出要在2015年前建成可重复使用的探月载人飞船，2025年前实现载人登月，20272030年建立月球基地。,2007年9月，日本的绕月卫星“月亮女神”发射成功，计划2015和2020年前，分别实现无人和载人登月。2008年，印度将本国的探月卫星“月球飞船1号”送入了绕月轨道，并计划2020年前完成载人登月。2003年9月，欧洲航天局将“智能1号”探月卫星发射升空，经13个月运行后进入月球轨道，并于2006年9月，以2米/秒的速度成功撞击月球表面。欧洲航天局不谋求独立载人登月，准备参与美国主导的国际合作。,二、中国“嫦娥工程”计划,中国于1994年开始对探月活动必要性和可行性进行研究，1996年完成了探月卫星的技术方案研究，1998年完成了卫星关键技术研究，以后又多次开展了深入的论证工作。经过近十年的酝酿确定了探月工程方案。2004年1月，中国正式开展月球探测工程，并借鉴我国“嫦娥奔月”的美丽传说，命名探月工程为“嫦娥工程”。“嫦娥工程”计划分为三个阶段。第一阶段是“无人月球探测”阶段；第二阶段是“载人登月”阶段；第三阶段是“建立月球基地”阶段。“嫦娥工程”第一阶段又分为“绕月飞行”、“落月探测”和“采样返回”三步来完成。然后才能实现“载人登月”。,三、“嫦娥工程”进展情况,“嫦娥工程”于2004年1月启动，2005年攻破了第一颗绕月探测卫星“嫦娥一号”的所有技术难关，2006年研制出所需的全部产品，2007年10月24日18时05分，“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心，由长征三号甲运载火箭发射升空。研制及发射“嫦娥一号”的总费用14亿人民币。“嫦娥一号”升空后，经过8次变轨，于11月5日被月球“成功捕获”，11月7日正式进入工作轨道。11月18日卫星转为对月定向姿态，11月20日开始传回探测数据。“嫦娥一号”的科学目标有四项：第一，绘制出世界最好的月球表面三维立体图；第二，探测月球表面元素分布情况，编制分布图；,第三，探测月壤层特性和厚度，估算氦-3资源量；,第四，探测月球环境，了解太阳活动对环境的影响。为实现这四项目标“嫦娥一号”共携带了8件科学仪器。由于美国和欧洲对中国禁止出售军事和高科技产品，这8件科学仪器完全是我国自主研制的。“嫦娥一号”携带的8件仪器中，CCD立体相机和激光高度计，用于完成第一个目标，即获取月球表面三维立体图；射线谱仪、x射线谱仪和干涉成像光谱仪，用于完成第二个目标，即探测月球表面元素分布情况；微波探测仪，用于完成第三个目标，即探测月壤层厚度和估算氦-3资源量；太阳风离子探测器和太阳高能粒子探测器，用于完成第四个目标，即探测月球环境。,2009年3月1日,“嫦娥一号”经15个月飞行后，在北京航天中心的精确控制下，以1.627千米/秒的速度准确落于月球东经52.36o、南纬1.50o的丰富海预定撞击点。随着此次“受控撞月”的准确实施，“嫦娥一号”完美谢幕。,2010年10月1号，搭载“嫦娥二号”卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射。“嫦娥二号”卫星重量为2480千克，绕月轨道与月球表面高度为100千米,比“嫦娥一号”近了一倍。“嫦娥二号”携带的CCD相机分辨率提高了很多,“嫦娥一号”分辨率是120米，“嫦娥二号”已提高到小于10米。另外，激光高度计由原来一秒获得1个高程点提高到获得5个高程点。这些都为“嫦娥三号”软着陆做了更充分准备。,四、“嫦娥工程”的未来,根据“嫦娥工程”第一阶段的计划，“嫦娥三号”将“落月探测”。采用着陆器加月球车联合探测，着陆器降落到月球表面，从里面走出一个智能机器人(月球车)。它自动导航、自动选择路径、自动避障、自动爬坡、自动指挥各仪器系统开展工作，并将数据自动传回地球。“嫦娥三号”的着陆器上安装了许多仪器，特别是天文望远镜和紫外相机，这是我国的特色。由于月球上没有大气，没有各种污染，望远镜的分辨率很高，这是人类第一次在月球上观测天文。为满足月球车边走边探测的需要,月球车上安装了测月雷达，加上红外光谱仪和X射线谱仪等仪器，可以探测月球几百米深处的结构。,安装大量设备的嫦娥三号“着陆器”必须用软着陆方式降落在