人类太空发展史

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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1古往今来为宙上下左右为宇2一、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。3空间空间-人类的第四环境人类的第四环境进入第四环境需要克服的难关：

2、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。4二、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

3、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。5空间技术空间技术铺向通天铺向通天 路路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6空间技术空间技术铺向通天铺向通天 路路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

4、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。 7 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(

5、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铺向通天 路路82) 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

6、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铺向通天 路路9三、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): 摆脱太阳引力束缚，飞离 太阳系10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

7、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。11空间技术的原理空间技术的原理发射模拟12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。13航天器分类 按原理分： 近地轨道宇宙飞行器

8、 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。14我国1970年发射的第一颗人 造地球卫星 “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3578

9、6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” 15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 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16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

10、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空间技术三大组成部分17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 18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

11、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）。 19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空间技术三大组成部分20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 212007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

12、三大组成部分22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 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。 23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24空间技术三大组成部

13、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. 25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 26“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

14、组成部分空间技术三大组成部分“神舟”二号宇宙飞飞船27空间技术三大组成部分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。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

15、种研究的场所承装动力和能源系统28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 29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 305) 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31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

16、-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空间技术三大组成部分32空间技术三大组成部分空间技术三大组成部分哥伦比亚号航天飞机 “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) 33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空间技术三大组成部分猎户星座 342. 运载器：人造天体或宇宙飞船运送到预定轨道上去的火箭 空间技术三大组成部分空间技术三大组成部分按不同飞行任务，运载火箭分三类： (1) 探空火箭: 携带仪器射向高空进行大气测量 (2) 弹道式导弹: 携带各种弹头打击敌方目标 (3) 卫星(飞船)运载器: