航天知識講座2012.5.12課件

1、 1.1 世界航天技術(shù)發(fā)展的概況 1.2航天器的分類與系統(tǒng)組成航天知識 “我知道地球是圓的，因為我看見了圓形；然后，又看到它還是立體的。當我往下看時，看到印度洋上船舶拖著尾波前進，非洲一些地方出現(xiàn)灌木林火，一場雷電交加的暴風雨席卷了澳大利亞1000英里的地區(qū)，呈現(xiàn)出大自然的一幅立體風景畫?！?這是航天員在談到從航天飛機上看地球的情景時的一段描述。 航天技術(shù)發(fā)展是當今世界上最引人注目的事業(yè)之一，它推動著人類科學(xué)技術(shù)的進步，使人類活動的領(lǐng)域由大氣層內(nèi)擴展到宇宙空間。航天技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的結(jié)晶，是基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的集成，航天技術(shù)是一個國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。 空天飛機設(shè)想圖1.1 世界航天技

2、術(shù)發(fā)展的概況 航天技術(shù)是一門綜合性的工程技術(shù)，主要包括：制導(dǎo)與控制技術(shù)，熱控制技術(shù)，噴氣推進技術(shù)，能源技術(shù)，空間通信技術(shù)，遙測遙控技術(shù)，生命保障技術(shù)，航天環(huán)境工程技術(shù)，火箭及航天器的設(shè)計、制造和試驗技術(shù)，航天器的發(fā)射、返回和在軌技術(shù)等。由多種技術(shù)融于一體的航天系統(tǒng)是現(xiàn)代高技術(shù)的復(fù)雜大系統(tǒng)，不僅規(guī)模龐大，技術(shù)高新、尖端，而且人力、物力耗費巨大，工程周期長。時至今日，航天技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到政治、軍事、經(jīng)濟和科學(xué)探測等領(lǐng)域，已成為一個國家綜合國力的象征。 人類很早就有遨游太空、征服宇宙的理想。宇宙的星球?qū)θ祟愐恢背錆M著吸引力和神秘感，許多美麗的神話和傳說，反映了人類對宇宙的向往和探索空間奧秘的心情。

3、嫦娥奔月、牛郎織女，以及孫悟空騰云駕霧、一個筋斗十萬八千里等。飛天壁畫1.1.1 人類的早期航天探索隨著中國古代四大發(fā)明之一的火藥出現(xiàn)，火藥便取代了易燃物，使火箭迅速應(yīng)用到軍事中。公元lO世紀唐末宋初就已經(jīng)有了火藥用于火箭的文字記載，這時的火箭雖然使用了火藥，但仍須由弩弓射出。真正靠火藥噴氣推進而非弩弓射出的火箭的外形被記載于明代茅元儀編著的武備志中，見圖1.1。這種原始火箭雖然沒有現(xiàn)代火箭那樣復(fù)雜，但已經(jīng)具有了戰(zhàn)斗部(箭頭)、推進系統(tǒng)(火藥筒)、穩(wěn)定系統(tǒng)(尾部羽毛)和箭體結(jié)構(gòu)(箭桿)，完全可以認為是現(xiàn)代火箭的雛形。 世界上第一個試圖乘坐火箭上天的“航天員”也出現(xiàn)在中國。相傳在14世紀末期，中

4、國有位稱為“萬戶”的人，兩手各持一大風箏，請他人把自己綁在一把特制的座椅上，座椅背后裝有47支當時最大的火箭(又稱“起火”)。他試圖借助火箭的推力和風箏的氣動升力來實現(xiàn)“升空”的理想?！叭f戶”的勇敢嘗試雖遭失敗并獻出了生命，但他仍是世界上第一個想利用火箭的力量進行飛行的人。萬戶 19世紀末20世紀初，火箭才又重新蓬勃地發(fā)展起來。近代的火箭技術(shù)和航天飛行的發(fā)展，涌現(xiàn)出許多勇于探索的航天先驅(qū)者，其中代表人物K3齊奧爾科夫斯基(OHCTaHTHH3ayap且oBHq UHOaKOBCKHfi)，R戈達德(Robert Goddard)，H奧伯特(Hermann Oberth)。 1.1.2 近代航天

5、技術(shù)的發(fā)展K3齊奧爾科夫斯基R戈達德 前蘇聯(lián)科學(xué)家齊奧爾科夫斯基一生從事利用火箭技術(shù)進行航天飛行的研究。在他的經(jīng)典著作中，對火箭飛行的思想進行了深刻的論證，最早從理論上證明了用多級火箭可以克服地心引力進入太空的論點?，F(xiàn)代宇航之父齊奧爾科夫斯基 美國的火箭專家、物理學(xué)家和現(xiàn)代航天學(xué)奠基人之一戈達德博士在1910年開始進行近代火箭的研究工作，他在1919年發(fā)表的達到極大高度的方法的論文中，闡述了火箭飛行的數(shù)學(xué)原理，指出火箭必須具有79 kms的速度才能克服地球的引力，并研究了利用火箭把有效載荷送至月球的幾種可能方案。美國科學(xué)家戈達德（18821945） 德國的奧伯特教授在他1923年出版的飛向星際

6、空間的火箭一書中不僅確立了火箭在宇宙空間真空中工作的基本原理，而且還說明火箭只要能產(chǎn)生足夠的推力，便能繞地球軌道飛行。同齊奧爾科夫斯基和戈達德一樣，他也對許多推進劑的組合進行了廣泛的研究。 在第二次世界大戰(zhàn)中設(shè)計了V2火箭并為宇宙探索作出了重大貢獻的馮布勞恩博士 V-2的成功在工程上實現(xiàn)了19世紀末、20世紀初航天技術(shù)先軀者的技術(shù)設(shè)想，并培養(yǎng)和造就了一大批有實踐經(jīng)驗的火箭專家，對現(xiàn)代大型火箭的發(fā)展起到了繼往開來的作用。V-2的設(shè)計雖不盡完善，但它卻是人類擁有的第一件向地球引力挑戰(zhàn)的工具，成為航天技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。 V-2火箭1957年10月4日，前蘇聯(lián)用“衛(wèi)星”號運載火箭把世界上第

7、一顆人造地球衛(wèi)星送入太空，衛(wèi)星呈球形，外徑O58 m，外伸4根條形天線，質(zhì)量836 kg，衛(wèi)星在天上正常工作了3個月。按照今天的標準衡量，前蘇聯(lián)的第一顆衛(wèi)星只不過是一個伸展開發(fā)射機天線的圓球，但它卻是世界上第一個人造天體，把人類幾千年的夢想變成了現(xiàn)實，為人類開創(chuàng)了航天新紀元，標志著人類活動范圍的又一飛躍。 1.1.3 現(xiàn)代航天的里程碑1960年3月11日，美國發(fā)射了“先驅(qū)者5號”探測器，它成為人類第一個深空探測器，從3.6510km遠處發(fā)回了探測數(shù)據(jù)?！跋闰?qū)者號”探測器1961年2月21日，前蘇聯(lián)發(fā)射了“金星1號”探測器，開始了人類對太陽系行星的探測?！敖鹦翘枴碧綔y器1961年4月12日，前蘇

8、聯(lián)成功地發(fā)射了第一艘“東方號”載人飛船，尤里.加加林成為人類第一位航天員，揭開了人類進入太空的序幕，開始了世界載人航天的新時代。尤里加加林1964年11月28日，美國發(fā)射的“水手4號”探測器第一次成功飛越火星?！八?號”探測器1965年3月，前蘇聯(lián)航天員從“上升號”載人飛船上走出艙外，實現(xiàn)了人類第一次太空行走。“上升號”載人飛船1969年7月20日，美國NA阿姆斯特朗和EE奧爾德林乘坐“阿波羅11號”飛船登月成功，在月球靜海西南角著陸，成為涉足地球之外另一天體的首批人員。他們在月球上安放了科學(xué)實驗裝置，拍攝了月面照片，搜集了22虹月球巖石與土壤樣品，然后自月面起飛，與指揮艙會合，返回地球。首

9、次實現(xiàn)了人類登上月球的理想。 NA阿姆斯特朗EE奧爾德林1971年4月19日，前蘇聯(lián)“禮炮1號”空間站人軌成功，其質(zhì)量約18 t，總長14 m，軌道高度200250 km，軌道傾角516。，成為人類第一個空間站，完成了有關(guān)天體物理學(xué)、航天、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等方面的科研計劃，考察地球資源和進行長期失重條件下的技術(shù)實驗。1972年3月2日，美國發(fā)射了木星和深遠空間探測器“先驅(qū)者10號”。它攜有表明人類信息的鍍金鋁板，經(jīng)過11年飛行，于1983年6月越過海王星軌道，而后成為飛離太陽系的第一個人造天體。1975年6月8日，前蘇聯(lián)發(fā)射了“金星9號”探測器，實現(xiàn)了在金星表面著陸。1975年7月18日，美國“阿

10、波羅號”飛船與前蘇聯(lián)“聯(lián)盟19號”飛船在大西洋上空對接成功(視頻資料)。1975年8月20日，美國發(fā)射了“海盜1號”探測器，第一次在火星表面著陸成功(視頻資料)。1977年9月，美國發(fā)射了“旅行者2號”探測器，對天王星、海王星進行探測?！鞍⒉_號”飛船與前蘇聯(lián)“聯(lián)盟19號”飛船在大西洋上空對接記錄片1981年4月，世界上第一架垂直起飛、水平著陸、可重復(fù)使用的美國航天飛機“哥倫比亞號”試飛成功，標志著航天運載器由一次性使用的運載火箭轉(zhuǎn)向重復(fù)使用的航天運載器的新階段，是航天史上一個重要的里程碑，標志著人類在空間時代又上了一層樓，進入了航天飛機時代。至2000年10月，航天飛機已成功飛行100次。

11、“哥倫比亞號”航天飛機首飛記錄片1986年2月，前蘇聯(lián)“和平號”軌道空間站發(fā)射成功，它成為目前人類發(fā)射的在軌運行時間最長的載人航天器，在軌運行超過15年。2001年3月23日，“和平號”軌道空間站被引入大氣層銷毀，完成了其輝煌的歷史使命。 “和平號”軌道空間站目前，更大規(guī)模的國際空間站在美國、俄羅斯、加拿大、日本、意大利和歐洲空間局的合作下，正在進行在軌組裝建設(shè)人類就是以如此快速的步伐沖擊著宇宙大門! 不難看出，從公元10世紀的中國火箭到第二次世界大戰(zhàn)的V一2導(dǎo)彈，人類是出于軍事需求發(fā)展了火箭技術(shù)，而這恰恰為航天技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。自20世紀40年代至今，航天技術(shù)以驚人的速度發(fā)展著并日

12、臻完善。我們可以堅信，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和工業(yè)基礎(chǔ)的不斷增強，航天技術(shù)將會有更大的突破并更趨完善。 航天技術(shù)從20世紀50年代末期的研究試驗階段到70年代中期，發(fā)展到了廣泛實際應(yīng)用階段。其中60年代以來，為科學(xué)研究、國民經(jīng)濟和軍事服務(wù)的各種科學(xué)衛(wèi)星與應(yīng)用衛(wèi)星得到了很大發(fā)展。至70年代，軍、民用衛(wèi)星已全面進入應(yīng)用階段。一方面向偵察、通信、導(dǎo)航、預(yù)警、氣象、測地、海洋、天文觀測和地球資源等專門化的方向發(fā)展，同時另一方面，各類衛(wèi)星亦向多用途、長壽命、高可靠性和低成本的方向發(fā)展。 1.1.4 現(xiàn)代航天技術(shù)的應(yīng)用北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星定位原理圖回顧近50年來航天技術(shù)應(yīng)用的歷程，具有代表性的大事列舉如下：195

13、8年12月，美國發(fā)射了世界上第一顆通信衛(wèi)星“斯科爾號”；1960年4月，美國先后發(fā)射了世界上第一顆氣象衛(wèi)星“泰羅斯1號”和導(dǎo)航衛(wèi)星“子午儀1B號”；1963年7月，美國發(fā)射了世界上第一顆地球同步軌道通信衛(wèi)星；1964年8月，美國發(fā)射了世界上第一顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星；1965年4月，美國成功地發(fā)射了世界上第一顆商用通信衛(wèi)星“國際通信衛(wèi)星1號”，正式為北美與歐洲之間提供通信業(yè)務(wù)，它標志著通信衛(wèi)星進入了實用階段；1972年7月，美國發(fā)射了世界上第一顆地球資源衛(wèi)星“陸地衛(wèi)星1號”；1982年11月，美國航天飛機開始商業(yè)性飛行；1984年11月，美國航天飛機成功地施放了兩顆衛(wèi)星并回收了兩顆失效的通信衛(wèi)

14、星，第一次實現(xiàn)了雙向運載任務(wù)； 世界上第一顆陸地資源衛(wèi)星是美國1972年7月23日發(fā)射的，名為陸地衛(wèi)星1號1983年4月，美國發(fā)射了世界上第一顆跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星；1999年，由66顆小型衛(wèi)星組網(wǎng)形成的美國“銥”星全球電話通訊系統(tǒng)建成并投入使用。目前，美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為全世界各領(lǐng)域普遍應(yīng)用的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)揮著巨大的作用。我國風云二號氣象衛(wèi)星在我國，繼1970年4月24日首顆衛(wèi)星“東方紅一號”發(fā)射成功以來，航天技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也取得了巨大的成就：東方紅一號1975年11月，我國第一顆返回式遙感衛(wèi)星發(fā)射成功，并順利回收；1984年4月，我國第一顆靜止軌道試驗通信衛(wèi)星發(fā)射

15、成功；1986年2月，我國第一顆靜止軌道實用通信衛(wèi)星發(fā)射成功；1988年9月，我國第一顆氣象衛(wèi)星“風云一號”發(fā)射成功；至2000年10月，我國“長征”系列運載火箭已成功發(fā)射62次。進入20世紀90年代，我國航天技術(shù)應(yīng)用的步伐進一步加快，大容量通信衛(wèi)星“東方紅三號”、氣象衛(wèi)星“風云一號”和“風云二號”以及資源衛(wèi)星先后發(fā)射成功。東方紅三號1999年11月20日我國成功發(fā)射了第一艘試驗飛船“神舟號”，在載人航天領(lǐng)域邁出了堅實的一步風云二號 綜上可見，從1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功算起，迄今僅40余年，航天技術(shù)取得了如此巨大的成就是前所未有的，產(chǎn)生了巨大的社會效益與經(jīng)濟效益。 總之，隨著

16、航天技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，航天活動已越來越顯示出其巨大的軍事意義和經(jīng)濟效益，已成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的一個重要組成部分。反過來，這種社會和經(jīng)濟效益又進一步推動著航天技術(shù)日新月異的發(fā)展。航天器可分為無人航天器與載人航天器兩大類。無人航天器按是否繞地球運行又可分為人造地球衛(wèi)星和宇宙探測器兩類。1.2.1 按載人與否分類簡稱人造衛(wèi)星，是數(shù)量最多的航天器(占90以上)。它們的軌道長度由i00多公里到幾十萬公里。按用途它們又可分為：1人造地球衛(wèi)星 (1)科學(xué)衛(wèi)星 (2)應(yīng)用衛(wèi)星 (3)技術(shù)試驗衛(wèi)星俄羅斯新研制的GLONASSM導(dǎo)航衛(wèi)星 目前的載人航天器只在近地軌道飛行和從地球到月球的登月飛行。今后將出現(xiàn)可以到

17、達各種星球的載人飛船，以及供人類長期在空間生活和工作的永久性空間站。載人航天器按飛行和工作方式可分為：2、載人航天器神舟飛船(1)載人飛船： 能保障航天員在外層空間生活和工作，以執(zhí)行航天任務(wù)并能返回地面的航天器(2)空間站： 可供多名航天員巡訪、長期工作和居住的載人航天器；(3)航天飛機： 可以重復(fù)使用的，往返于地面和高度在1000 km以下的近地軌道之間，運送有效載荷的航天器。3宇宙探測器 飛出地球軌道的探測器，有行星際探測器和恒星際(飛出太陽系)探測器兩種。其中行星際探測器按探測目標又可分為月球和行星(金星、火星、水星、木星、土星等)探測器。如20世紀6070年代，前蘇聯(lián)發(fā)射的“月球”、“

18、金星”、“火星”、“水星”等系列探測器，美國發(fā)射的“水手”、“海盜”、“先驅(qū)者”、“旅行者”等系列探測器。 旅行者1號 旅行者2號 按航天器在軌道上的功能來進行分類，就人造地球衛(wèi)星而言，可分為觀測站、中繼站、基準站和軌道武器四類。每一類又包括了各種不同用途的航天器。1.2.2 按人造地球衛(wèi)星的功能分類 衛(wèi)星處在軌道上，對地球來說，它站得高，看得遠(視場大)，用它來觀察地球是非常有利的。此外，由于衛(wèi)星在地球大氣層以外不受大氣的各種干擾和影響，所以用它來進行天文觀測也比地面天文觀測站更加有利。屬于這種功能的衛(wèi)星有下列幾種典型的用途。1、觀測站 在各類應(yīng)用衛(wèi)星中偵察衛(wèi)星發(fā)射得最早(1959年發(fā)射)，

19、發(fā)射的數(shù)量也最多。偵察衛(wèi)星有照相偵察和電子偵察衛(wèi)星兩種。（1）偵察衛(wèi)星：(2)氣象衛(wèi)星： 氣象衛(wèi)星利用所攜帶的各種氣象遙感器，接收和測量來自地球、海洋和大氣的可見光輻射、紅外線輻射和微波輻射信息，再將它們轉(zhuǎn)換成電信號傳送給地面接收站。風云二號 資源衛(wèi)星是在偵察衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。利用星上裝載的多光譜遙感器獲取地面目標輻射和反射的多種波段的電磁波，然后把它傳送到地面，再經(jīng)過處理，變成關(guān)于地球資源的有用資料。它們包括地面的和地下的，陸地的和海洋的等等。(3)地球資源衛(wèi)星：中巴資源衛(wèi)星(4)海洋衛(wèi)星： 海洋衛(wèi)星的任務(wù)是海洋環(huán)境預(yù)報，包括遠洋船舶的最佳航線選擇，海洋漁群分析，近海與沿岸海

20、洋資源調(diào)查，沿岸與近海海洋環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)視，災(zāi)害性海況預(yù)報和預(yù)警，海洋環(huán)境保護和執(zhí)法管理，海洋科學(xué)研究，以及海洋浮標、臺站、船舶數(shù)據(jù)傳輸，海上軍事活動等。當然，作為觀測站的衛(wèi)星遠不止以上幾種，預(yù)警衛(wèi)星、核爆炸探測衛(wèi)星、天文預(yù)測衛(wèi)星(如美國的“哈勃”太空望遠鏡)等均屬于這一類。雖然它們的功能各有側(cè)重，但基本觀測原理都是相似的。美國的“哈勃”太空望遠鏡2中繼站 中繼站是一種在軌道上對信息進行放大和轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星。具體分為兩類：一類用于傳輸?shù)孛嫔舷喔艉苓h的地點之間的電話、電報、電視和數(shù)據(jù)；另一類用于傳輸衛(wèi)星與地面之間的電視和數(shù)據(jù)。這種衛(wèi)星有下列幾種：美國新一代跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星 利用衛(wèi)星進行通信和平常的地

21、面通信相比較，具有下列優(yōu)點： 通信容量大； 覆蓋面積廣； 通信距離遠； 可靠性高； 靈活性好； 成本低。 (1)通信衛(wèi)星：中國新一代通信衛(wèi)星東方紅三號 廣播衛(wèi)星是一種主要用于電視廣播的通信衛(wèi)星。這種廣播衛(wèi)星不需要經(jīng)過任何中轉(zhuǎn)就可向地面轉(zhuǎn)播或發(fā)射電視廣播節(jié)目，供公眾團體或者個人直接接收，因此又稱為直播衛(wèi)星。目前普通的家庭電視機配一架直徑不到1m的天線就可以直接接收直播衛(wèi)星的電視廣播節(jié)目。 (2)廣播衛(wèi)星： 跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是通信衛(wèi)星技術(shù)的一個重大發(fā)展。它是利用衛(wèi)星來跟蹤與測量另一顆衛(wèi)星的位置，其基本思想是把地球上的測控站搬到地球同步軌道上，形成星地測控系統(tǒng)網(wǎng)。 (3)跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星：美國新

22、一代跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星 3基準站 這種衛(wèi)星是軌道上的測量基準點，所以要求它測軌非常準確。屬于這種功能的衛(wèi)星有：(1)導(dǎo)航衛(wèi)星(2)測地衛(wèi)星 這種衛(wèi)星發(fā)出一對頻率非常穩(wěn)定的無線電波，海上船只、水下的潛艇和陸地上的運動體等都可以通過接收衛(wèi)星發(fā)射的電波信號來確定自己的位置。 由于地面上的測量站是固定的，所以測量精度比對艦船導(dǎo)航定位的精度高。衛(wèi)星測地目前達到的精度比常規(guī)大地測量的精度高幾十倍以上。北斗一號導(dǎo)航衛(wèi)星 4軌道武器 這是一種積極進攻的航天器，具有空間防御和空間攻擊的職能。它主要包括：(1)攔截衛(wèi)星(2)軌道轟炸系統(tǒng) 衛(wèi)星作為一種武器在軌道上接近，識別并摧毀敵方空間系統(tǒng)，這種衛(wèi)星被稱為反衛(wèi)星衛(wèi)

23、星。 軌道轟炸系統(tǒng)是一種空間對地的進攻型武器。美國研制的空間 攔截衛(wèi)星紙飛機紙飛機是一種用紙做成的玩具飛機。它可能是航空類折紙手工中的最常見形式，航空類折紙手工屬于折紙手工的一個分支。由于它是最容易掌握的一種折紙類型，所以深受初學(xué)者乃至高手的喜愛。用紙制作玩具被認為起源于2000年前的中國，那時風箏是一種流 紙飛機行的娛樂項目，雖然這些可以被看作是現(xiàn)代紙飛機的證據(jù)，但是 沒有人能有把握地提供準確的證據(jù)指出到底這項發(fā)明到底起源于哪里。隨著時間的推移，紙飛機速度、浮力和外形的設(shè)計已經(jīng)有了較大的改進。 西方，最早能追溯到年代的紙飛機1是在1909年制作的。然而，現(xiàn)在最為人們所接受的制作方法是由約翰K諾斯羅普（洛克希德公司的創(chuàng)始人之一）在1930年所制作的。諾斯羅普用紙飛機來做模擬測試來發(fā)現(xiàn)真實飛機的飛行機理。紙飛機的類型傳統(tǒng)型這種紙飛機需要6個步驟來制作；如果略去第1步對折的話可以只用5 紙飛機制作過程個實際的操作步驟。可以使用一張長方形的紙，如A3、A4或者Letter（A4或Lette更好一些），來制作這種紙飛機。 1.首先把紙張放在垂直方向，并把左右對折來制造一個在紙張中間的摺痕。 2.將對折打開，并把左上及右上角折向中間的折痕。 3.再依先前的中間摺痕，左右對折。接下來則進行最重要的步驟，也就是折