太空职业指南如何起步

太空职业指南：

如何起步背景由包括澳大利亚航天局在内的一些世界顶尖航天机构组成的联盟正与美国宇航局（NASA）合作，开展重返月球的任务。阿尔忒弥斯计划不仅旨在将人类送上月球表面，其计划还包括在月球上长期驻留。这最终可能成为未来火星任务的垫脚石。将任何航天器从地球送上月球都需要巨大的协作努力。从航天器的建造到发射升空，流程中的每一个部件和每一个环节都必须经过严格的质量和安全控制。简报一家太空教育中心的教育项目经理设计了一项面向高中学生的实践活动。该活动围绕在月球上建立基地的任务及其面临的一些挑战展开。经理目前正计划在九年级和十年级的学生中试行这项活动。学生完成活动后，她将获得宝贵的反馈，并可根据需要对活动内容进行调整。

任务“ó”的任务。起步阶段学生资源1学生活动地球引力阻止了我们“漂浮”离开地球。科学家计算得出，任何物体要想摆脱地球引力并探索深空，都需要达到11.2公里/秒或40243公里/小时的速度。ó

利用以下公式和信息来验证或反驳上述速度值：公式：Ve=2GM

rVe(m/s)=地球逃逸速度G=6.674x10⁻¹¹m³kg⁻¹s⁻²（牛顿万有引力常数）M=5.972×1024kg（离开地球的行星质量）万有引力常数）r=6.378×10⁶米（行星半径–[地球]）你的速度是多少公里/小时？万有引力常数g是衡量重力加速度的指标。我们在地球表面感受到的重力等于1g。阿波罗11号登月任务中的宇航员在起飞过程中承受了高达4.5g的重力加速度。使用将阿波罗11号发射视频减速至正常速度的0.5倍。从起飞（0秒）到60秒，每隔5秒记录一次发射的时间和速度，绘制记录图并回答以下问题：时间（秒）速度（米/秒）051015202530354045505560起步阶段学生资源2起飞——第2页关于阿波罗11号在前60秒的加速情况，您有什么看法？50秒到60秒之间的加速度是多少？利用重力加速度公式（如下），宇航员在发射后50秒到60秒之间的10秒内所受到的重力加速度大约是多少？（注意：重力加速度必须大于1g，否则火箭将无法离开地面）

其中：v₁=60秒时的速度；

v₀=50秒时的速度；

t=时间；

g=重力加速度(9.81m/s²)。g力=V1–V0tgSpaceX是一家总部位于美国的航天器制造商、发射器和卫星通信公司。其航天器舰队的核心是猎鹰9号火箭。与之前的航天器不同，猎鹰9号是一枚可重复使用的火箭。2023年1月，SpaceX使用猎鹰9号火箭执行了其第15次发射任务。以下近似速度数据来自2023年1月发射的现场直播¹时间（秒）051015202530354045505560≈速度（米/秒）09295276103132162196231251275317ó将猎鹰9号的速度和时间数据绘制到阿波罗11号速度与时间图上。起步阶段学生资源3起飞——第3页1使用此SpaceX视频片段：/watch?v=lSRXacd8wU8

计算猎鹰9号火箭在45秒至50秒以及55秒至60秒之间的近似加速度。比较火箭加速过程中的这两个阶段，你能得出什么结论？阿波罗11号和猎鹰9号两枚火箭，哪一枚的加速度更大？

有效载荷因任务而异。例如，国际空间站大约需要40次发射任务，运送的物品包括宇航员的生活舱、食品和洗漱用品等。多年来，有效载荷成本已从航天飞机时代的每公斤约65,000美元降至使用SpaceX猎鹰重型火箭时的每公斤约2,500美元。火箭的有效载荷比是指航天器的最大有效载荷除以推进剂和未加燃料的航天器的总重量，用符号λ表示，其中：md=有效载荷质量；

mp=推进剂（燃料）总质量；

ms=航天器质量，包括空燃料箱和助推器（不包括有效载荷质量和推进剂质量）λ=md/(mp+ms)ó使用以下信息确定航天飞机执行近地轨道(LEO)任务的有效载荷质量的近似值，假设航天飞机的有效载荷率为1.25%。起步阶段学生资源4起飞——第4页/photos/Space-Shuttle.png

2/grapher/cost-space-launches-low-earth-orbit截至2023年初，SpaceX的猎鹰9号火箭（用于猎鹰重型火箭）是目前使用的最强大的火箭。得益于材料和火箭技术的进步，以及SpaceX能够回收和重复使用猎鹰9号火箭，该公司能够提供极具竞争力的太空发射服务。猎鹰9号火箭近地轨道发射的有效载荷比率与航天飞机发射约1.25%的有效载荷比率相比如何？猎鹰9号火箭数据：中程质量=72300公斤，

中程质量=1338500公斤，

中程质量=63800公斤那么，汽车的质量占有效载荷的百分之几？SpaceX最多可以发射多少辆搭载星际人模型的特斯拉Roadster跑车？如果猎鹰重型火箭用于登月任务，由于需要额外燃料，有效载荷质量将减少到约20,000公斤。假设其中2.5%的载荷用于容纳10名宇航员，且每位宇航员的平均体重为78.5公斤，那么10名宇航员执行登月任务时，剩余的有效载荷能力是多少？与许多竞争对手相比，SpaceX的猎鹰9号火箭有效载荷比更高，并且能够重复使用第一级助推器，因此在竞争中占据优势。安全回收助推器需要多次尝试，直到2015年才实现首次成功着陆（/watch?v=p9FzWPObsWA）。起步阶段学生资源5起步阶段——第5页拓展题：如果第一级助推火箭在80公里高空释放并垂直下落到地球表面，且助推火箭的自由落体终端速度为450米/秒，达到终端速度前的加速度为9.8米/秒²，那么助推火箭大约需要多长时间才能到达地球表面？注：我们假设空气阻力可以忽略不计，且终端速度为450米/秒。步骤1–使用公式v=u+at计算达到终端速度所需的时间其中：v=末速度（本例中为450米/秒）

t=时间

a=加速度（9.8米/秒²）

u=初速度（0米/秒，因为我们从静止开始）_initial=½at2确定达到终端速度之前的行驶距离。其中：d=初始距离（米）步骤3–确定以终端速度行驶的距离(d_terminal)：d_total–d