04天文及空间技术.ppt

1、天文、空间与空间技术,P.2/43,天 文,天文学是观察和研究宇宙间天体的学科，它研究天体的分布、运动、位置、状态、结构、组成、性质及起源和演化，是自然科学中的一门基础学科。,P.3/43,宇宙起源,宇宙大爆炸,P.5/43,量子力学思想应用于大爆炸和宇宙的起源。这就得出了这样的设想：时空可能在范围上有限，但没有边缘。,牛顿和爱因斯坦的两种引力理论都得出这样的结论宇宙不可能是静态的，它不得不或是膨胀，或是收缩。而这又意味着，在前200亿年到前100亿年之间，必定有某一时刻，那时宇宙的密度为无穷大，这就产生了所谓的大爆炸。它可能就是宇宙的开端。,P.6/43,大爆炸理论,主要观点: 认为我们的宇

2、宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从冷到热从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发。,大爆炸 (一开始),P.8/43,(2)每十亿个反物质粒子中会有一个转变成物质粒子。,(1)大爆炸制造等量的能量与反物质,宇宙初步形成过程,(3)物质与反物质互相湮灭。 (4)結果：反物质摧毁了宇宙中99.9999999%的物质。,第一批原子开始形成(3分钟),(5)少数残余的物质粒子以三个一组形成质子和中子，然后再和电子形成原子。,氢和氦(3分钟),P.12/43,气体云团(10万年),星星出现(10亿年),（6）原子冷却、结合成恒星、银河并演化成我们今

3、日所知的宇宙。,P.15/43,简言之,早期现在,温度：极高降低 密度：极大变小 体积：极小变大 物质：基本各样 粒子恒星 形态体系 物质宇宙,中子衰变 化学元素形成,气体凝成气云,如同一次规模巨大的爆炸,P.16/43,微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为2.7K (伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度) 河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比 (红移是宇宙膨胀的反映) 在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是25% (早期温度很高，产生氦的效率也很高 ) 任何天体年龄都小于150亿年 (主张所有恒星都是在温度下 降后产生的）,能说明较多观测事实

4、：,尚不能确切地解释：,“在所存物质和能量聚集在一点上”之前 存在着什么东西,P.17/43,现年龄：150亿年 预计阳寿：390亿年 身体状况：健康的壮小伙，刚过青春期 家庭背景：据说本人在baby时还有一个孪生兄弟 ，可惜本人患有“宇宙健忘症”，已经不记得了。现在好多人都说我是从大爆炸中蹦出来的。 对未来的憧憬：老实说我也不知道未来的我是什么样，也许发福成一个大胖子，也许凹陷成一个孱弱的小瘦子。,宇宙的简历及未来报告,P.18/43,宇宙三禁律,时间机器 空间捷径 超光速运动,P.19/43,暗物质,暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质,P.20/43,暗物质的研究引力透镜现象,P.

5、21/43,弦理论与黑洞,黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。,P.22/43,黑洞的形成,可能也是由恒星演化而来的。,P.23/43,弦理论,认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子。这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈（称为闭合弦或闭弦），闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。,P.24/43,空间与空间技术,P.25/43,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,“天” (外层空

6、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。,P.26/43,P.27/43,民航飞机的飞行高度层:中型以上的民航飞机都在高空飞行，此处的高空是指海拔712公里的空间,民航飞机上有降落伞没？,P.29/43,空间-人类的第四环境,进入第四环境需要克服的难关： 1克服地球甚至太阳系的万有引力。 2克服真空。 3适应剧烈变化的温度环境。 4防止有害辐射。,第四环境中蕴藏着的空间资源， 仅就近地的外空领域来看，可利用的空间资源就有： 相对地面

7、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。,P.30/43,空间技术：铺向通天路,空间技术：探索、开发和利用太空以及地球以外天体的综合性工程技术高度综合的技术。,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。,航天：地球大气层以外、太阳系以内的空间活动 航宇：超出太阳系以外的空间活动, 空间技术 与航天技术？,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。,P.31/43,空间技术铺向通天路,19571960

8、年 初期试验阶段,19601964年 实际应用试验阶段,19641979年 载人飞行 在太空部署各种卫星网 对行星空间科学探测,1980年到现在 航天飞机阶段,P.32/43,2) 使现代通信技术跃入崭新时代 解决了地面远距离、短波和地面微波通信易受干扰成本高的问题。目前2/3以上的洲际通信由通信卫星承担。,空间技术的意义 1) 空间技术使人类进入第四环境 在月球、火星和小行星等天体上，有丰富的行星际空间，有真空资源、辐射资源、大温差资源，那里的太阳能利用效率也比在地球上高得多。利用航天器的飞行，还可派生出轨道资源和微重力资源等。,3) 为经济发展带来美好前景 利用空间技术的遥感遥测可以广泛地

9、开展对土地、森林、水、矿产、海洋等资源的普查。利用气象卫星国土资源卫星可以预报自然灾害。利用空间技术进行“航天育种”使经过太空“处理”回到地上种植的农作物种子不仅变异频率高幅度大、变异性状可以遗传、而且变异稳定。,空间技术铺向通天路,P.33/43,航天器分类 按原理分： 近地轨道宇宙飞行器 行星际宇宙飞行器,空间技术的三大组成部分 航天器、运载器、地面测控系统,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。,P.34/43,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,位于地球赤道上空35786公里处的地球静止轨道通信卫

10、星,我国1984年4月8日发射的第一颗静止轨道通信卫星 “东方红二号”,P.35/43,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,P.36/43,空间技术三大组成部分,1

11、957年第一颗人造卫星,1) 人造卫星,1970年第一个观测X射线的小型天文卫星美国的“自由号”进入巡天轨道,法国监视雷达发现数十颗身份不明人造卫星,P.37/43,空间技术三大组成部分,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）。,P.38/43,美国19621974年间发射的探测金星的“水手”号系列,1号,2号,5号,10号,空间技术三大组成部分,P.39/43,空间技术三大组成部分,2007.9.1

12、4日本发射的“月亮女神” (SELENE)号月球探测器,环绕月球飞行的“月球勘探者”探测器,欧洲宇航局2004年11月16日发射的“智能号 (SMART-1)”号探测器,P.40/43,2007年发射的嫦娥一号系列图,空间技术三大组成部分,P.41/43,空间技术三大组成部分,2006.9.2910.6 美国宇航局的火星探测器火星侦察轨道器MRO,欧洲航天局2006年13日宣布，“火星快车”探测器(MARSIS)最新发现，在火星北半球低地和平原下，埋藏着很多直径在130公里至470公里之间的巨大撞击坑。,P.42/43,美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局联合研制的卡西尼惠更斯号于北京

13、时间2004年7月1日12时12分顺利进入环绕土星转动的轨道，开始对土星大气、光环和卫星进行历时4年的科学考察。也是进入土星轨道的第一艘人造飞船。,空间技术三大组成部分,P.43/43,空间技术三大组成部分,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.,P.44/43,空间技术三大组成部分,“東方”号宇宙飞船進入人造地球卫星的轨道。人类从此进入了“航天时代”，人类终于飞出了地球。,3) 人造飞船,中国航天器太空交汇对接示意图,P.45/43,“神舟”一号宇宙飞船,“神舟四号”进入太空,“神舟”五号宇宙飞船,空间技术三大组成部分,“神舟”二号宇宙飞船,P.46/43,航天服,

14、航天服按功能分为舱内用航天服和舱外用航天服。,P.47/43,P.48/43,P.49/43,4) 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,P.50/43,美国最新研制的X-43A高超音速航天飞机的模拟飞行图。试验中的X-43A飞行速度将随气温和高度的不同而改变，一般为音速的7到10倍。,一名宇航员从正在驶离国际空间站的 “奋进”号航天飞机上拍下的空间站的照片,空间技术三大组成部分,P.51/43,空间技术三大组成部分,哥

15、伦比亚号航天飞机,“发现”号航天飞机于美国东部时间2007年10月23日上午11时38分(北京时间10月23日23时38分)从佛罗里达州肯尼迪航天中心升空，飞往国际空间站。,欧洲未来航天飞机“凤凰”展英姿(2004年),P.52/43,空间技术三大组成部分,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。,5) 空间站 空间站的主要任务：

16、 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) 服务舱 对接舱,宇航员进行各种研究的场所,承装动力和能源系统,P.53/43,空间技术三大组成部分,多艘神舟号飞船对接组成的小型空间站想象图,前苏联的“和平”号空间站,美国的“天空实验室” 空间站,P.54/43,空间技术三大组成部分,国际空间站建成后的外观,国际空间站近影,P.55/43,下一代载人航天器,新一代载人航天器,空间技术三大组成部分,猎户星座,P.56/43,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

17、飞行器的姿态和轨道参数，并随时调整它的姿态偏差。,高精系统支持探月 嫦娥一号与地面的联系,P.57/43,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。, 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。, 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。,P.58/43,2、探测火星,（1）火星质量只有地球的1/9，半径仅有1/2。 （2）火星的自转周期几乎与地球一样； （3）火星的自转

18、轴倾角几乎和地球相同，故火星上也有四季，生存条件仅次于地球。 （4）火星与地球的明显不同就是，火星的公转周期几乎是地球的两倍，所以，火星上每个季节要持续6个月，而不是3个月,P.59/43,2005年7月，火星快车发现火星的北极附近有一块直径达八英里的巨大积冰,机遇号摄到的火星蓝莓,美国三代火星车，依次为旅居者、勇气号和火星科学实验室,P.60/43,先驱者10号,3.地外生命,P.61/43,旅行者”1号太空探测器已经抵达太阳系边缘，即将冲出太阳系， “旅行者”1号太空探测器携带了一个录有55种语言和90分钟的音乐集锦的磁碟向宇宙问候,P.62/43,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。,4. 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。