航天与物理学

1、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

2、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

3、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

4、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（V 2）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

5、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

6、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

7、。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dm。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 , t+dt时刻：燃气对地速度为(v+dvu),动量为(v+dvu ) dm2 ,所以动量的变化为 dvdm2- udm2,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：F=_udm2,它的反作用力就是火箭受到的燃气的推力： dt(1)dm2F= u， dt结果表明火箭推力正比与喷气速度u和喷气质量流量 如。例如运载阿

8、波罗等月飞船的火箭，它的 u=dt2500m/s, dm2 = 1.4X 104kg/s,代入公式可得：F = 3.5X107N。 dt(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

9、最后得到的速度。首先看一下火箭和燃料的质量关系，在t=0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：dM+dm = 0或者dM = dm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 (dM< 0)。再看火箭和燃料的速度及动量关系，设t时刻火箭的速度为 V(t)，此时它的动量为 M(t)V(t);在dt的时间内，设火箭速度的增量为dV,则在t + dt时刻，火箭的速度为 V + dV,动量为(M + dM) (V+dV )

10、;dt时间内以恒定速率 u喷出的燃料质量为 dm,动量为dm (Vu);由动量守恒， 可得：MV=(M+dM)(V+dV)+dm(V-u)略去高阶无穷小量后，可得：MdV= - udM注意此时的M与V均是时间的函数。将其写成：dM_ = _1dVM u将其积分，设火箭初始速度为0,质量为M,最后的质量为 Me,速度为V,可得:所以:(2)V=uln 州Me当然我们还要考虑到地球引力和空气阻力的存在，由于它们与燃料燃烧所产生的推力相比极小，不影 响动量守恒，但是不可避免有引力损失和阻力损失，所以火箭最后获得的速度要比这个计算值要小一点。（3）机械能守恒和三个宇宙速度知道了火箭能达到的速度，我们自

11、然就想到人类要飞向月球或者其他行星需要的速度又是怎样的呢？ 通过我们的理论学习我们已经知道了，现在作一简单回顾。根据我们所学的机械能守恒定律，在航天器飞 离地球（即r增大的时候），机械能守恒定律可表示为：1 2一 mv2M em-'GRe二1 mv2 (r) - G2M emr(3)16由此可得三个宇宙速度：第一宇宙速度：在地面上发射一航天器，使之能沿着地球的圆轨道运行所需的最小发射速度，称为第一 2一宇宙速度。此时的半径 r约等于地球半径 Re,由（3）式和mv =G M em可得到第一宇宙速度 vi为rr2GMe(4)= 7.9(km/s)I Re第二宇宙速度：在地面上发射一航天器

12、，使之能脱离地球的引力场所需的最小发射速度，称为第二宇 宙速度。此时的势能、动能为0,所以可计算得出 v2为2GM eRe= 11.2(km/s)(5)第三宇宙速度：在地球表面发射一航天器，使之不但要脱离地球的引力场，还要脱离太阳的引力场所 需的最小发射速度称为第三宇宙速度。第三宇宙速度的计算略微复杂一些，可以得出v3=16.7km/s。这样地球上一个速度超过 v3的航天器就能够先摆脱地球引力场，再摆脱太阳引力场的束缚，飞入茫茫宇宙之中。2 .多级火箭从以上的分析可知， 要想航天器上天，至少要获得7.9km/s的速度，而要到达其他行星或是其他星系， 则需要更大的速度，而我们在制造火箭的时候，航

13、天器的构造自然是希望越简单越好，那么一个单级火箭 是否能够达到第一宇宙速度呢？由（2）式可知。要想火箭得到大的速度，就必须增大燃料气体的喷射速度u和增大质量比 M/Me。我们先看燃料气体的喷射速度，它受到诸多因素的影响，一种液态的常规燃料 是偏二甲月井（H N NCH3）加四氧化二氮（N204K燃料后气体的速度 u接近2km/s,另一种非常规 的燃料（如液氢加液氧）做推进剂，其喷射速度可达4km/s。同时由于火箭上所装载的仪器设备等的影响质量比M/Me也有所限制，大约在10到20之间。在这样的条件下， 我们可以对一级火箭所能达到的末速 度做一估计，设 u之4km/s, M/Me球15。则由（2

14、）式得：v1定41n15=10.8 （km/s）这并不是火箭真正能达到 的速度，必须考虑地球引力和空气阻力的影响等，所以最终的单级火箭的速度只可能达到7km/s左右，小于第一宇宙速度7.9km/s,无法将航天器送上天。实际的火箭通常为多级火箭，是用多个单级火箭经串联、并联或串并联（即捆绑式）组合而成的一个 飞行整体。例如一个串联的三级火箭，它的工作过程为：当一级火箭点火发动后，整个火箭起飞，等到该 级燃料燃烧完后，将自动脱落，以便增大以后的火箭的质量比。同时第二级火箭自动点火继续加速，直到 燃料耗完也自行脱落，下一级再开始工作。直到最后达到所需的速度。我们可以计算出一个三级火箭最终能达到的速度

15、为:(6)vf = u1 ln N1 u21n N2u31n N3比如美国发射“阿波罗”登月飞船的运载火箭 -“土星5号”：它的总质量为2800吨，高约85米，三级 的喷气速度分别为 Ui=2.9km/s, U2=4km/s , U3=4km/s；三级的质量比分别为 Ni =16, N2 =14, N3 =12,代入(6)式得到 vf =2.91n16+41n14+41n 12 球28.5(km/s)。当然由于上述的原因，火箭可达到的最终速度要比此值小，但已经大于第二宇宙速度，足够完成登月的任 务了。三、人造卫星技术1.人造卫星的运行轨道在人造地球卫星等航天器的运动中，确定其运动轨道是一个十分

16、重要的问题。现研究 质量为m的人造卫星(质点)运动轨道。在有心力作用下，卫星作平面运动的微分方程为：m升=-Gdt2mMd2rdt2式中M为地球质量，G称为万有引力常数。科是地球的引力常数。一, d 2r因为 r =r x(_-r) =0 ,考虑到dt2r3q r5二r叱空上二r 3 dt dt dt dt dt dt.2d rd / dr、即 r 父m = (r xm )=0 ,dt2出 dt则角动量守恒，可得角动量:2L =mrV1 =mrdi二L dt_ , L2其“而一式中的Ve为速度的横向分量，为垂直于矢径方向上的分量，它取决于入轨的初始条件。前面我们已经介绍了机械能守恒的式(3),

17、如果以地心为原点的极坐标系中,1 dr 2 dr 2_ Mm这样(3)式可以与成：E = - m() +(r ) G= E0(8)2 dt dr其中Eo为入轨点的卫星的总机械能，它也是由入轨时卫星的初始状态确定的。这样在上述的两个式子中，我们只要消去时间t,就能得到r与。的关系，也就是卫星的轨道方程。经过计算，我们可以得到：(9)r =-1 ecos?2E21十，W这也就是用极坐标表示的卫星轨道方程，它是一个以地心为一个焦 G2M 2m3点的圆锥曲线的一般方程，p为曲线的焦点参数，e是偏心率。针对此方程，我们还可以做以下的分析：(见图1)若Eo>0,则e>1,轨道为双曲线；若Eo=

18、0,则e=1,轨道为抛物线;若Eo<0,则e<1,轨道一般为椭圆(当 e=0时，轨道为圆形)。图1 卫星轨道根据以上r、p、e、。等之间的关系，就可以对卫星的运行轨道进行 控制。卫星的运行轨道一般由主动飞行段和自由飞行段组成，主动飞行 段通常是卫星变轨发动机的点火工作段，变轨发动机熄灭后进入目标轨 道呈自由飞行状态，成为自由飞行段，变轨控制是使卫星从一个自由飞行段的轨道转移到另一个自由飞行段的轨道。变轨前后的两个轨道可以在同一个平面内，也可以在不同平面内。例如，改变 P可引起轨道形状的变化，改变偏心率e可引起轨道性质（如圆、椭圆，抛物线，双曲线轨道）的变化。在任一位置 P处，改变r

19、、v之间的夹角，可以使卫星从一个轨道转到另一个轨道。一般 向目标轨道发射卫星可以有以下三种情况：1 1） 一种是在r0处关机，经过惯性段，然后进入目标轨道（图 2）。（2） 一种是在目标轨道 某点处直接进入（图 3）（3） 一种是先进入一个 停泊轨道，然后由停泊轨道 转移到目标轨道（图 4）。卫星正常运行时，要靠 控制系统保证卫星的轨道 运行，以完成预期的飞行任 务。图2目标轨道r0停泊轨道图3目标轨道直接进入图4轨道转移“东方红一号"，成为继前苏联、美、法、日2 .人造卫星与通信技术1957年10月4日，前苏联在哈萨克共和国中部的拜科努尔航天中心成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星

20、一一人造卫星 1号。这颗卫星虽然很小，直径只有58厘米，重仅83. 6千克，内部结构也很简单，只装有一台双频率的小型发报机、温度汁以及电池等，但它却具有重大的历史意义，表明人类有能力把重物推上天空，使它绕地球旋转，宣告了航天时代的到来。1958年1月31日，美国也把它的第一颗人造卫星一一探险者 1号送入轨道，尽管这颗卫星更轻，仅重8. 22千克，但它首次发现了地球周围空间存在着大量被地球磁场俘获的带电粒子区域一一地球辐射带。这是航天技术最初取得的重大科学成果。1970年4月24日，我国也成功地发射了第一颗人造地球卫星 之后第五个发射卫星的国家。“东方红一号”这颗科学实验卫星设备齐全，总重量为1

21、73千克，比前四个国家发射的第一颗卫星的重量之 和还多33千克，并首创在卫星上向宇宙播放“东方红”乐曲的先例。1975年11月26日.我 国又成功发射了返回型遥感卫星， 并经三天正 常运行后，按预定计划顺利返回， 成为世界上 第三个掌握此项技术的国家。 此后，我国又掌 握了一箭多星技术， 于1981年9月20日，首 次用一枚运载火箭把三颗卫星送入各自轨道。在1984年和1988年，我国还分别成功地发射 了首枚地球同步卫星和首枚太阳同步卫星。1990年4月7日，用长征三号运载火箭把亚 洲I l号通信卫星成功地送入预定轨道，入轨精 度达到国际先进水平。1997年5月20日，用“长征三号甲”运载火箭

22、将“东方红三号”同步通信卫星送入预定轨道；并定点在东经105。赤道上空。1997年6月10日，用“长征三号”运载火箭将“风云二号”同步气象卫星送入轨道。1999年5月10日，在太原卫星发射中心用“长征四号乙”运载火箭将“风云一号（C星）”气象卫星和“实践五号”科学实验卫星两颗太阳同步卫星同时送入轨道，轨道高度为870千米。图5为我国发射的几种不同类型的卫星。目前欧洲最先进的重型火箭一一“阿丽亚娜5型”能将6吨的有效负荷送入高空轨道。美国的“大力神4B”的起飞推力达到15127千牛顿，也能将近6吨的载荷送入地球同步轨道。 迄今全球已发射了约 4 000 颗各类卫星、转发器和航天器，它们在通信广播

23、、对地观察、导航定位、科学研究以及气象等领域得到广 泛的应用。在人造卫星的大家族里， 成熟最早、应用最广的要算是通信卫星了。它向你通报世界各地的最新信息, 给你带来五彩缤纷的电视节目，让你欣赏文艺表演和体育比赛，让你获得知识增长才干。可在半个世纪以前，这一切都还只是一个美好的幻想。这是因为用来传输电视的是一种波长很短的无线电波，叫微波，它只能像光线一样沿直线传括。由于地面是弯曲的，所以微波传播不远，就会离开地面，进入太空。过去用微波传送电视，地面上要每隔一段路程建立一个中继站，像接力赛跑一样，把电视信号一站会站地送向远方。一个50 米高的微波中继站，有效传播距离只有50 千米左右，例如，从北京

24、到拉萨，有2600 多千米，如果依靠微波接力站传送电视信号，沿途需要建立50 多个微波中继站。因此，为了把电视信号传送到遥远的边疆、山区和海岛，就必须建立像蜘蛛网似的密布全国的中继线路，需要投入很大的人力和物力。如果遇到大海，海面上是无法建立微波接力站，电视信号也就无法飘洋过海。所以，半个世纪以前，海洋这边的人要想看到海洋那边的电视，是根本不可能的。俗话说“站得高，看得远”。如果能够把微波中继站建在离地面很高的地方，那么，微波就可以传递得很远。1945 年，英国科学作家克拉克发表了一篇论文，名叫地外中继站在这篇文章中，克拉克设想，如果在赤道上空3.58X 104km高度的圆形轨道上，有这么一个

25、微波中继站，它就可以在相隔1.8X 104km的两地之间传输信息，可以把微波传递到大约40%的地球表面。这样，只要在地球赤道上空的轨道上均匀分布地建立三个中站，就再也不必担心山高路远、大海阻拦，全地球除两极地区以外的地方，都可以收到对方播发的电视节目，还可以进行相互通话。人们要问，怎样才能在离地球3.58X 104km的高度上建立起这样的微波中继站呢？克拉克说，这可以利用人造卫星，将卫星发射到赤道上空3.58 x 104km高的轨道上，并且让它按照和地球自转速度相同的速度在轨道上运行，这样，它就会总是悬在地球上空的某一个地方，看上去就好像它始终没有移动，而是“静止”在那里。因此，人们把这种卫星

26、叫做“静止卫星”或称“同步卫星”。但是，当克拉克发表他的设想的时候，运载火箭还没有诞生，人造卫星还没有出世，许多技术问题都还没有解决，在这种情况下要来探讨用“静止卫星”进行全球通信的问题，实在是不切合实际的。因此，有人认为他的这一设想只不过是一个科学幻想。但是，1957 年第一颗人造卫星上天以后，仅仅经过6 年时间，1963 年美国就发射成功名叫“晨鸟”的第一颗静止卫星，在巴西、尼日利亚和美国之间进行了电话和电视转括，实现了克拉克的预言。通信卫星大都分布在大西洋、印度洋和太平洋上空的地球静止轨道上。目前，世界上洲际间的电话、电报、传真和电视转播等通信业务，巳经大部分由通信卫星来承担。通信卫星的

27、通信容量大，可靠性高，传输距离远，不受地理环境的影响等，优点很多，所以倍受各国的重视和欢迎。通信卫星为人类的通信活动提供了日新月异的手段。今天，随着互联网的发展，通信卫星巳不再是简单的通信中继站，而成为在太空进行大量信息处理和信息交换的中心，成为信息高速公路的“太空枢纽”。人们可以利用通信卫星在家里直接拨通国际长途电话，无论走到哪里，打开电脑上网，通过卫星就可以同万里之外的亲友交谈，与客户联系业务，坐在家中就可以参加电话会议和指导外科手术，可以通过通信卫星向外国的图书资料中心查阅资料、索取数据。总之，在21 世纪，通信卫星将发挥越来越重要的作用。四、载人航天技术1. 载人航天工程七大系统(1)

28、 航天员系统载人航天首先要有航天员及其上天飞行的保障设施。这是一个航天员为中心的医学和工程相结合的复杂系统。它涉及航天生命科学和航天医学等领域，包括航天员的选拔训练、航天员的医学监督保障、航天员的一样食品、航天员飞行训练模拟等分系统。(2) 载人飞船系统飞船是载人航天的核心部分，它为航天员和有效载荷提供必要的生活和工作条件，保证航天员进行有效空间实验和出舱活动，并安全返还地面。(3) 运载火箭系统运载火箭是把载人飞船安全可靠送入预定轨道的运载工具。包括箭体结构、动力装置等10 个分系统，特别是增加了载人所需的故障监测分系统和逃逸救生分系统。(4) 飞船应用系统载人航天工程最终是为了应用，创造效

29、益，因此飞船应用系统是备受关注的部分。它利用载人飞船的空间试验支持能力，开展对地观测、环境监测、生命科学、材料科学、流体科学等试验，安装有多项任务上百种有效载荷应用设备。(5)测控通讯系统当运载火箭发射和载人飞船上天飞行以及返回时，需要靠测控系统通信系统保持天地之间的经常联 系，完成飞船遥测参数和电视图像的接受处理，对飞船运行和轨道舱留轨工作的测控管理，这个测控通 信系统由北京航天指挥控制中心、陆上地面测控站和海上远望号远洋航天测量船队组成、执行飞船轨道 测量、遥控、遥测、火箭安全控制，航天员逃逸控制等任务。(6)发射场系统神舟号飞船的发射场选在酒泉卫星发射中心，发射场系统由技术区、发射区、试

30、验指挥区、首区测 量和航天员区组成，形成火箭、飞船、航天员从测试到发射以及上升段、返回段测量的一套完整体系。(7)着陆场系统载人航天这路着陆场系统包括主、副着陆场，陆上应急援救、海上应急援救、通信测量、航天员医保等部 分。(5) 人航天器的种类及其特点载人航天是指人类驾驶和乘坐载人航天器在太空从事各种探测、试验、研究、军事和生产的往返飞 行活动，其目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展 到太空，更广泛和深人地认识地球及其周困的环境，更好地认知整个宇宙；充分利用太空和载人航天器的 特殊环境从事各种试验和研究活动，开发太空及其丰富的资源。根据飞行和工作方

31、式的不同，载人航天器可分为载人飞船、空间站和航天飞机三类。(1)载人飞船独立往返于地面和空间站之间，如同人类沟通太空的渡船，它能够与空间站或者是与其 他航天器对接后进行联合飞行。但是，飞船容积小，所载消耗性物资有限，不具备再补给的能力，所以它 的太空运行时间有限，仅能够使用一次。(2)与载人飞船相比，空间站容积大、载人多、寿命长，可综合利用，是发展航天技术、开发利用宇 宙空间的基础设施。在它上面可对卫星进行修复，也可利用轨道转移飞行器在空间站和其他航天器往返运 送物资或航天员，甚至可以在空间站上组装并发射航天器。前苏联于1971年4月19日发射了世界上第一个空间站“礼炮”1号；美国于1973年

32、5月14日用“土星” 5号改进型运载火箭将“天空实验室”送入轨道。(3)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。(6) 天飞机的组成、运行过程(1)航天飞机的组成航大飞机的总长度 56 m,翼展24m。起飞总质量2 000t。图6图6 航天飞利的绢成航大飞机由以下三个部分组成(图6):固体火箭助推器(2个)、6加大即皿出以外置燃料箱、轨道器。固体火箭助推器：在升空初期提供推力。长度 46 m。，直径3. 7 m,质量590t。推力11 700 kN,在

33、升空中占总推力的 71%。在使用后分离出去，依靠降落伞减 速，降落在海上，可以回收再用。外置燃料箱：储存主发动机所需的燃料。长度48 m,直径8. 4 m,总容积2柏6 L,可容纳燃料 719t。箱内分隔成两部分：前储箱容纳液体氧，后储箱容纳液体氢。采用涡轮泵式输送系统。在使用后被抛弃， 最后在大气中烧毁。轨道器：航天飞机的主体。外形像飞机(图7)。在固体火箭图7航天飞机的轨道器助推器和外置燃料箱分离出去以后，航天飞机就是轨道器。所以 往往也把轨道器叫做航天飞机。它主要由以下几部分组成。1)机身。分为前机身、中机身和后机身三段。2）机翼、垂直尾翼、舵面。3）航天员舱。位于前机身，容积为74m3

34、,可容纳至多8名航天员。4）主发动机。是液体火箭发动机，共3 台。位于后机身，安装在球形接头上，可调节推力方向，控制飞行。每台发动机长 4. 3m,直径2. 3 m,质量3 040 kg。燃料是液体氧和液体氢。燃烧产物水蒸气以 2780m S 的速度排出。每台发动机的推力是kN 。为航天飞机升空提供29的推力。在固体助推器分离后，主发动机继续工作，直到把轨道器送入轨道，随后外置燃料箱就脱离。5）轨道机动系统2 个。在轨道器的后段，尾翼的两侧。该系统使轨道器精确进入轨道，进行轨道机动以及在最后使轨道器减速而脱离轨道。它们也是液体火箭发动机，利用氦气将燃烧剂和氧化剂从各自的储箱挤压到燃烧室，一接触

35、就自动燃烧。每个轨道机动系统可产生推力26400 No可以起动和关机1000次，总工作时间可达15 小时。6）反作用控制组件。在前机身和后机身各有一个，互相配合工作，实现轨道器姿态控制或轨道微调。由38 个固定喷嘴和6 个游动喷嘴组成。可控制轨道器移动以及滚转、俯仰和偏航转动。7）绝热瓦。由于航天飞机（轨道器）返回过程中，以极快的速度（7.9km/s）进入浓密的大气层时，与空气激烈摩擦要产生大量的热（即所谓的“气动加热”） ，且在距离地面60km 左右，温度变得最高，机头温度可高达到1000 3000oC， 整个机身变成一个炽热耀眼的火球,， 与地面的无线电通讯都会暂时中断（称为“黑障现象”）

36、。而航天飞机上有宇航员和珍贵仪器资料，要保证他们经过烈火高温的洗礼后顺利返回地面，它的表面必须覆盖陶瓷绝热材料层，俗称绝热瓦。这种绝热瓦主要由耐高温的碳化物、氮化物、氧化物材料经过现代特殊工艺加工制成，称新型复合高温陶瓷瓦，它由两部分构成，外层包覆的是高辐射陶瓷材料， 内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。航天飞机的这种绝热瓦 “外衣” （又叫 “避火衣”） 有 31000块陶瓷瓦片，每块长 15 20cm、厚05 9cm,每片价格2000 3000美元。使用时将它们拼接起来，仿佛中国古代的“金缕玉衣”一般，非常合身。这样做法有两个好处：一是每个陶瓷片之间都留有微小空隙，可以防上受热变形互相挤

37、压而损坏；二是如果个别陶瓷片毁坏，修理起来方便。航天飞机的机头和机翼的前缘，温度最高，必须重点保护，通常使用最厚的“陶瓷瓦片”。当航天飞机返回地球通过大气层与空气剧烈摩擦产生大量的热时，绝热瓦遇到高温时会自己先燃烧起来，其中大量的有机物会发生化学分解和气化，带走大量的热量，并在燃烧自己的同时，还形成了一层厚厚的多孔炭化层，紧紧地附着在轨道器的外壁，这一层炭化层具有极好的隔热效能，在它严密的包裹下，能有效地防止外界热量传入舱内。它的双重奇妙功能，使轨道器中的温度可以保持正常，一般在35oC 以下，十分安全。经科学家研究表明， “避火衣”是保证轨道器安全返回地面的关键设施之一。而且， 如果减轻 “

38、避火衣”的一些重量，对发射火箭推力的要求就可以降低很多，从而可以大大降低宇航工程的成本。根据科学家计算，宇航飞行器的“避火衣”重量减轻 1 千克，可以使推动火箭减少500千克；如果“避火衣”能减轻15，那么可以使宇航器的飞行距离与上升速度各增加10！（2） 航天飞机的运行过程航天飞机一次飞行任务的时间是714 天，必要时可以延长。典型的飞行任务分为三个主要阶段。第一阶段：发射和入轨。1 ）在发射台上预先点燃主发动机（液体火箭发动机）。当点燃固体火箭助推器时，总推力才超过重力，此时航天飞机离开发射台上升。2）升空20秒，航天飞机转身，达到滚转角180°,俯仰角78°。3）升空

39、2 分，固体火箭分离出去（此时高度45km） ，打开降落伞，降落在海上，将回收再用。4）升空8.5 分，主发动机关机。5）升空9 分，外置燃料箱被抛弃（将在再入大气层过程中烧毁）。从此以后，航天飞机就是轨道器。6）升空105分，轨道机动发动机开动，使航天飞机进入低轨道。7）升空45 分，轨道机动发动机再次开动，使航天飞机进入较高的圆轨道。第二阶段：在轨道上执行任务阶段。航天飞机的典型轨道参数是：轨道高度350650km ,轨道倾角（即轨道平面与地球赤道平面之间的角）39°56''。航天飞机可执行的任务包括：进行科学实验、对地球和天体观测、向太空站运送人员和物资、释放卫

40、星、回收失效的卫星，修理其他航大器（例如Hubble哈勃太空望远镜）等。在执行这些任务时要进行许多次轨道机动和姿态机动。在正常况下航大飞机的姿态 是：机头向前，舱顶在下（近地球）。第三阶段：返回和着陆。在完成任务后航天飞机返回和着陆是十分复杂的过程（见图8）。1）在离着陆场大约半圈轨道距离时，地面控制中心发出返回指令。2）把飞机的姿态转成尾部向前，并开动轨道机动发动机，使航天飞机减速，从而离开运行轨道，进 入返回轨道（这个动作叫做离轨）。3）经过大约25分，航天飞机到达大气上层。再次改变姿态，使得头部向前，且具有40o俯仰角。图8航天飞机返回和着陆4）在大气中航天飞机能像飞机滑翔机那样（没有动

41、力）飞行，由机载计算机控制飞行。5）当航天飞机距离着陆场 225 km（高度45. 7 km。）时，捕获到无线电信标，以后就由机长控制飞行， 他要把航天飞机保持在一个直径为5. 5 km的虚拟管道内，因而能对准跑道。6）在放下起落架后不久，航天飞机就触地，除机轮刹车外，还利用垂直尾翼上的减速 板和从尾部张开的减速伞，促使航天飞机停止。这样整个飞行任务就完成了。目前，天地往返载人航天器有两个基本的类型：美国的航天飞机是一类，俄罗斯的Soyuz （联盟号）飞船是另一类。航天飞机的优点，第一是可部分重复使用。除外置燃料箱被抛弃和烧毁外，固体火箭助推器壳体可以回收再用，轨道器则返回地面，经过修理后可以

42、重复使用，预计可以飞行100次。这样就可以降低载人飞行的成本。但事实上航天飞机每次飞行后的维护和修理费用很高，所以经济性并不像原来预期的那样好。第二是承载能力大，可乘坐 8名航天员，还能运送大量物资。而Soyuz飞船只能乘坐3名航大员。第三是具有强大的轨道机动能力，能执行许多功能任务。航天飞机的缺点是构造太复杂，飞行过程也太复杂。这 不仅造成研制费用的极其高昂，而且也引起可靠性的降低。五、登月技术与火星探测2 .登月技术月球是距离地球最近的一个天体。月球环境具有引力小、真空、无菌、磁场小、温差大、昼夜交替周 期长、在地球视线内等特点。月球地质条件特殊，具备地球原材料资源。整个月球犹如一个巨大的

43、稳定平 台，适合于开展科学研究和天文观测。以上特殊的环境和条件，使得建造月球基地变得很有吸引力。月球 基地有可能成为人类在地球外星体上建立的第一个活动场所。1969年，也就是在人类第一次发射人造地球卫星之后仅12年和人类第一次飞往宇宙空间之后仅8年，人类有史以来首次成功地登上月球表面。首次飞向月球并登上月球的人是美国宇航员。先后登上月球的共有12名宇航员，其中最先登上月球的是 N 阿姆斯特朗和E 奥尔德林。他们两人乘坐由宇宙飞船主要部分（返回地球的宇航员驾驶舱和发动机舱）和登月舱（着陆和起飞级）组成的“阿波罗一11号”在1969年7月16日成功地登上月球。“阿波罗一11号”飞船指令长是 N 阿

44、姆斯特朗，E -奥尔德林是登月舱领 航员，而第三名飞船成员 M 柯林斯是飞船生要部分领航员。“阿波罗一11号”宇宙飞船用大功率火箭“土星一5号”（属美国二级和三级运载火箭系列，有 40层搂房高）送入近地轨道，起航 76小时之后离开近地轨道，成为一颗人造月球卫星，然后才开始独自飞往月球。实际上正是这样分步而不是直接的登月方法才完成了史无前例的登月星际飞行。整个飞船并没有在月球上着陆，着陆的只是登月舱，走出登月舱的是阿姆斯特朗和奥尔德林，而柯林 斯仍留守在登月舱里。当登月舱刚从飞船主要部分对接处分离时，着陆便开始进行。此后登月舱需要转入 更低轨道，选择着陆地点并开始降落。阿姆斯特朗负责登月舱手动控

45、制，并顺利地将登月舱着落在名为死海的一个环形山中。月球表面上所谓的“海”，实际上是宽广平坦的低洼地。指令长阿姆斯特朗小心翼翼地用脚触了触月球表面之后才迈出了第一步。这时他情不自禁地说：“对人来说这是一小步，而对整个人类而言，这又是何等巨大的飞跃”。过了一段时间，领航员奥尔德林与阿姆斯特朗相会合。阿姆斯特朗很快学去了地球人不习惯的移动方式跳跃。他们时而用一只脚着地跳跃，时而又同时用两只脚着地象袋鼠一样跳跃。宇航员们在月球上边 跳跃，边收集月球土壤样品，并在月球表面上安装各种测量仪器，如安装研究来自太阳的带电污染粒子流 的仪器、月球地震仪和激光反射镜一一准确测量地球与月球表面两点之间的距离。阿姆斯

46、特朗在月球上的宇宙飞船外面共逗留了2个半小时，奥尔德林逗留时间比他少20分钟。1969年7月2日宇航员们安全返回地球。此后又多次去月球考察， 其中最成功的是“阿波罗一12号”、“阿波罗一14号”、“阿波罗一15号”、“阿 波罗一16号”、“阿波罗一17号”宇宙飞船的登月飞行。“阿波罗一13号”飞船由于中途发生故障，只能围 绕月球飞行后返回地球。先后登上月球的12名宇航员中有6名考察队成员。最后一批考察的宇航员在月球上亲自开动四轮月球车，沿月球表面作很长路程的考察旅行。 当宇航员沿灰色尘埃月球表面徒步行走或乘坐月图9 美国宇航员登月时的照片球车考察旅行时，地球人在自己周围看到的只是一片 死气沉沉

47、的寂静世界：没有任何生命、空气 、水、声 音、云、雨、极光，陨石。但是，他们真的找到了一 个“调查者号”一一美国为研究月球而发射的宇宙飞 行器系列。“调查者号”在地球上的重量约 1吨，在月 球上着落后重约 285千克。在19661968年期间，美 国先后向月球发射了 7个“调查者号”。图9为美国宇 航员登月时的照片。登月式飞船与卫星式飞船最大的不同就是增设了登月舱。其座舱分前舱、航天员舱和后舱3部分，前舱放置着陆部件、回收设备、姿控发动机等；航天员 舱为密封舱，存有供航天员生活14天的必需品和救生 设备；后舱装有各种仪器、贮箱、计算机和无线电系夕本绝凯洋OE:地心 M :月亮 L:发射场 T。

48、：停泊轨道入轨点T1:地月转移轨道入轨点f0:滑行角距fi:飞行角距图10 登月飞行平面图图11登月飞行立体示意图登月方法采用停泊轨道中转。登月 飞行器首先进入一个绕地心运动的圆停 泊轨道，然后从停泊轨道上的某点第二 次点火，进入地月转移轨道，采取停泊 轨道中转比直接从地面发射登月有以下 优点：在停泊轨道上可最后测试飞行 器的各项性能，如控制、通讯等，以减 小飞行的风险；为进入地月转移轨道 而加速时，可充分利用停泊轨道的轨道 速度；停泊轨道的轨道倾角可由地面 发射站预先指定，而其轨道升交点经度 与入轨历元密切相关。由于地球的自转 运动，可以证明在每 24小时内有两次机会使停泊轨道的轨道面经过选

49、定着月时刻的月心。登月飞行的整 个过程如图10、图11所示。当然有关登月飞行轨道设计、着陆技术等问题是十分复杂的，这里就不详细 介绍了。自上世纪70年代初美国结束阿波罗登月计划后，人类登月活动一度停止。近 10年来，重返月球的呼 声增高，月球计划成为许多国家航天发展的重要目标。预计在未来的20年内，人类将重返月球。人类可以利用空间航天基地，进行地月轨道运输船的组装维护，最终建成月球基地。3 .火星探测火星在太阳系中其自然环境最接近地球，被认为是最适合人类移民的星球，数十年来人们对火星始终 寄予着最大的热情与最丰富的想象。但要揭开火星的真实面目，只有通过火星探测。火星探测是用火星探 测器对火星进

50、行近旁观测、环绕观测和实地考察的活动。它自1962年开始进行，并在20世纪内取得了令人瞩目的成就。2003年6 7月，欧洲和美国的3个火星探测器相继发射升空，揭开了21世纪航天火星探测的序幕。为科学界热衷的载人火星飞行也有可能在21世纪前期首次进行。（1）人类探测火星的成就1962年11月，苏联发射了世界上的第一个火星探测器。自那时起，至 1999年1月，全世界只有苏 联、美国和日本发射了用于探测火星的航天器。20世纪航天火星探测可分为2个时期。第一个时期（1962 1975）,苏联发射了 7个。火星”号探测器和1个探测火星的“探测器”号行星探测器，美国发射了6个探测火星的“水手”号行星探测器

51、和2个“海盗”号火星探测器。其中， 1971年5月底发射11月中旬到达火星的“水乡9号探测器，成为第一颗人造火星卫星；1971年5月底发射、12月初在火星软着陆（指 其着陆舱，下同）的“火星”3号探测器首次实现了在火星上的软着陆； 1975年8月中旬、9月上旬分别发射的“海盗” 1号和2号探测器相继于 1976年7月中旬、9月上旬在火星上软着陆后，用土样挖掘机 和气象感测器进行了为期 90天的探索火星上有无生命存在迹象和研究火星大气等活动。第二个时期（1 9881999）,苏联于1988年发射了 2个“火卫一”号探测器（火卫一是火星的2个卫星中离火星较近的 1颗卫星，与火星的平均距离约9400

52、 km。周期7小日30分钟），其中1号因故障而失败，2号进入绕火星飞行的轨道对火星进行探测后又转入对火卫一进行观察的轨道拍摄了该卫星的图像；美国于1996- 1999年相继发射了 “火星全球探测器”、“火星探路者”号探测器和“火星气候探测器”、“火星极地登陆器”共4个火星探测器，其中1996年11月发射（1997年9月到达火星）的“火星全球探测器” 成为火星的卫星， 对火星大气层和火星地貌进行了长期探测，1996年12月发射（1997年7月到达火星）的“火星探路者”号探测器用微型火星车（质量16kg）对着陆点进行了 1个月的实地考察并发回了许多幅火星地表景观照片， 分别于1998年12月和19

53、99年1月升空的“火星气候探测器”和“火星极地登陆器”在到达火星后均与 地面失去了联系。日本于 1998年7月发射的“行星 B”号探测器飞行途中出现故障，经挽救有望于明 年到达火星周围空间。图 12为“火星探路者”登陆火星模拟图。图12 “火星探路者”登陆火星模拟图火星探测器获取的火星图像和探测信息，丰富了人类的火星知识库。它们的探测结果表明：火星的大气不能保证人的生命。火星大气中有95.32%的二氧化碳，2.7%的氮，1. 6%的窟，还有少量的一氧化碳和氧以及微量的臭氧、 氢和水蒸汽。火星大气极为稀薄，火星表面处的大气压力只相当于地面上空海拔30-40 km处的大气压力。火星地貌大致被一个倾

54、斜于火星赤道面的平面分为2部分。大圆南部地貌与月球相似，表面崎岖，有不少陨石坑、环形山，还有许多火山口、峡谷和沟渠。大圆北部地势普遍比南部低，环形山也比南部少。但未发现火星上有活火山。未发现火星上有液态水，但过去有过“洪水”的迹象，并发现在火星极地有“水冰”存在的证据。在火星着陆点附近并未发现有类似地球上的生命过程。火星上是 否存在生命，还有待今后的探测。火星大气层中有一种独特的“尘暴”现象，有时可遍及整个火星，持续半年时间。（2） 火星探测器轨道的特点火星探测器轨道很复杂，但其基本特点可以用三种轨道加以描述，即绕地心运动阶段的轨道、绕日心运动阶段的轨道、绕火心运动阶段的轨道。下面在论述这三种

55、轨道时。除作特殊说明外，均认为探测器在惯性飞行中分别只受到地球、太阳和火星的球形引力场的作用，而忽略引力摄动力、气动力摄动力等摄动力的影响。即探测器所受到的引力分别与其到地心、日心和火心的距离平方成反比。另外，把地球和火星绕太阳的公转轨道看作是共面、同向的两个圆轨道，它们的轨道半径分别为1.496X 108km、2. 279 X 108km oa）绕地心运动阶段的轨道为了选择有利的进入飞向火星轨道的起点，火星探测器在从地面起飞后，一般先由航天运载器送入环绕地球运动的低高度近圆形停泊轨道。当探测器沿停泊轨道作惯性（无动力）运动到有利位置时，再用火箭发动机的动力使探测器相对于地心的运动速度v 地

56、>7.9km/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