《科技导论》空间技术应用

《《科技导论》空间技术应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《科技导论》空间技术应用（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、空间空间与与空间技术空间技术 同济大学物理系同济大学物理系 P.2/43 古往今来为宙 上下左右为宇 P.3/43 一、空间：人类的第四环境一、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.4/43 空间空间-人类的

2、第四环境人类的第四环境 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.5/43 二、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

3、太阳系以外的空间活动 空间技术 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.6/43 空间技术空间技术铺向通天路铺向通天路 19571960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.7/43 空间技术空间技术铺向通天路铺向通天路 1. 空间技术的主要特点 空间技术是一门高度综合性的科学技术，是很多 现代科学和技术成就的综合集成。它主要依赖于电 子技术、自动化

4、技术、遥感技术和计算机技术等众 多先进技术的发展。因此，一个国家空间技术的成 就，最能体现其科学技术的水平，是衡量其科技实 力的重要标志。 空间技术是一门快速的、大范围的、在宏观尺度 上最能发挥作用的科学技术。比如，通信卫星可以 大面积覆盖地面以至全球；气象卫星可以进行全球 天气预报；侦察卫星可以及时监视广大地区的军事 活动等等。 P.8/43 全波段天文观测 (摆脱了大气层阻碍，可以接收到来自 宇宙天体的全部电磁辐射信息) 实现对空间环境的直接探测以及对月球和太阳系 大行星的逼近观测和直接取样观测 迅速而大量地收集有关地球大气、海洋和陆地的 各种各样的电磁辐射信息，直接服务于气象观测、 军事

5、侦察和资源考察等方面 实现全球卫星通信、广播、导航和大地测量(卫星 作为空间无线电中继站) 在航天器上进行各种重要的科学实验研究(利用空 间高真空、强辐射和失重等特殊环境) 2. 空间技术的作用 空间技术空间技术铺向通天路铺向通天路 P.9/43 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。 3. 空间技术的意义意义 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

6、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。 空间技术空间技术铺向通天路铺向通天路 P.10/43 三、空间技术的原理三、空间技术的原理 1. 万有引力和宇宙速度 万有引力定律 第一宇宙速度(7.9km/s)：使物体绕地球作圆周运动 第二宇宙速度(11.2 km/s): 摆脱地球引力束缚，飞离 地球 第三宇宙速度(16.7 km/s

7、): 摆脱太阳引力束缚，飞离 太阳系 P.11/43 空间技术的原理空间技术的原理 2. 反作用推力和运载火箭 1500km高空， 空气分子=3.21010/3, 浮力太小。 1903年齐奥尔科夫斯基提出火箭公式 v为终速, vP喷气速度, M0为原始质量, M为所剩质量 多级火箭接力办法:在火箭垂直发射时，让最下面一 级先工作，完成任务后脱离，接着启动上面一级， 进一步提高速度。 P.12/43 空间技术的原理空间技术的原理 发射模拟 P.13/43 空间技术的原理空间技术的原理 3. 太空轨道和航天器的运行 低轨道卫星一般直接入轨，即火箭连续工作，当最 后一级火箭发动机关机时，卫星就可进入

8、预定轨道 。中、高轨道卫星常常滑行入轨。其发射轨道由火 箭发动机工作时的主动段、发动机关机后靠惯性飞 行的滑行段和发动机两次工作时的加速段组成。地 球静止轨道卫星常常采用过渡转移轨道入轨。 P.14/43 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 四、 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。 航天系统：运载器、航天器、发射场和回收设施 、航天测控、数据采集网和用户台站(网)等互相配合 , 协调工作，共同组成的系统。 P.15/43 我国1970年发射的第一颗人 造地球

9、卫星 “东方红一号” 按应用分： 无人航天器 载人航天器 卫星式，登月式 人造卫星(绕地运行) 空间探测器 人造飞船 空间站 航天飞机 科学卫星 应用卫星 技术试验卫星 通信、气象 侦查、导航 测地、等 探月球 探行星 空间技术三大组成部分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.16/43 空间技术三大组成部分空间技术三大组成部分 航天器的设计要求标准化和星体结构的积木化 可根据不同任务的需要 ，换装不同科研或应用 方面的有效载荷。既有 利于卫星的总装和测试 ，又便于利用航天飞机

10、对卫星进行空中维修和 更新。 航天器分成两个舱: 标准化公用舱 专用设备舱 具有电源、推进、姿控、通信与数据处理等多种基本功能 P.17/43 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)

11、 空间技术三大组成部分空间技术三大组成部分 P.18/43 空间技术三大组成部分空间技术三大组成部分 1957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.19/43 空间技术三大组成部分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.20/43 美国19621974年间发射

12、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空间技术三大组成部分 P.21/43 空间技术三大组成部分空间技术三大组成部分 2007.9.14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.22/43 2007年发射的嫦娥一号系列图 空间技术三大组成部分空间技术三大组成部分 P.23/43 空间技术三大组成部分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

13、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.24/43 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空间技术三大组成部分 P.25/43 空间技术三大组成部分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 载人研究经过三个阶段： 第一，把人送入地球轨

14、道 并安全返回； 第二，发展载人空间基本 技术，如轨道机动飞行、 交汇、对接以及考察宇航 员出舱活动能力等； 第三，发展小型实验性空 间站，进一步考察人在长 期空间条件下的生活和工 作能力. P.26/43 空间技术三大组成部分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.27/43 “神舟”一号宇宙飞飞船 “神舟四号”进入太空 “神舟”五号宇宙飞飞船 空间技术三大组成部分空间技术三大组成部分 “神舟”二号宇宙飞飞船 P.28/43 空间技术三大组成部分空间技术三大组成

15、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。 4) 空间站 空间站的主要任务： 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.29/43 空间技术三大组成部分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.30/43 空间技术三大组成部分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.31/43 5) 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空间技术三大组成部分 P.32/4