航天与物理学

1、大纲：一、航天技术的发展二、火箭技术与动量、机械能守恒1. 火箭推进原理2. 多级火箭三、人造卫星技术 1 .人造卫星的运行轨道 2.人造卫星与通信技术 四、载人航天技术1 .载人航天工程七大系统2 .载人航天器的种类及其特点3 .航天飞机的构成、运行过程五、登月技术与火星探测1 .登月技术2 .火星探测 六、中国航天史航天与物理学“火箭之父”俄国科学家齐奥尔科夫斯基说过“地球是人类的摇篮。人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断探索新的天体 和空间。人类首先将小心翼翼地穿过大气层，然后再去征服太阳系空间”。开发宇宙，是人类长期以来的梦想，随着科学技术地不断发 展，高新技术不断地涌现，20世纪5

2、0年代开始兴起的航天技术使人类飞向宇宙的梦想得以实现。航天，是相对于航空而言，它是指人类冲出大气层克服地球引力在太阳系内进行的行星际航行及其有 关的活动。用于航天的人造 天体称“航天器”有火箭、人造卫星、载人飞船、航天站、航天飞机及行星际探测器等航天器的运行轨道以地球为中心的称近 地”，以月球为中心的称近月“，以太阳为中心的称近日“，当然也可以环绕其它行星运行。一、航天技术的发展人类很早就有了航天的思想，我国古代流传的“嫦娥奔月”、吴刚砍桂”等传说故事，就是对人类航天理想的生动描绘之一。 当然，人类真正实现这种理想是到19世纪末才开始起步的从那时起，相继涌现出俄国的齐奥尔科夫斯基，美国的戈达德

3、和德国的奥 伯特等富于探索精神的航天先驱者。俄国的奥尔科 夫斯基最早从理论上证明用多级火箭可克服地球的引力而进入太空，建立了表征多级 火箭理想速度的著名的齐奥尔科夫斯基公式。而且他肯定了液体发动机是航天飞行器最适宜的动力装置。美国的戈达德是液体火箭的创 始人。他曾指出，要克服地球引力，火箭必须具有每秒79公里的速度。他在1921年开始研制液体火箭发动机，1926年3月16 日，他研制的液体火箭飞行成功。德国的奥伯特也是最早的火箭和航天的理论家和实践者。1923年奥伯特论述了火箭K行的数学理 论，并对火箭结构和星际飞行提出了许多新观念。到了 1942年10月3日，德国太空协会的青年专家布劳恩领导

4、的航天研究小组， 经过艰苦的探索，在总结历次失败教训的基础上，终于发明了再生冷却式燃烧室和燃气舵等新技术。采用这些新技术，终于获得弹 道导 弹（V 2）的发射成功。从而在工程上实现了航天先驱者的技术思想，取得向地球引力挑战的胜利，并对后来大型火箭的发展起到了 继往开来的重大作用。堪称是人类航天发展史上的一个里程碑。第二次世界大战后，前苏联和美、法、日、加拿大、澳大利亚等国家，都先后发射了探空火箭，创造出发射393公里高度的纪 录，获得了许多高层空间的宝贵资料，为发展航天奠定了科学基础。经过10多年的艰苦探索之后，于1957年10月4日，前苏联 把世界上第一颗人造地球卫星送入大气层外的运行轨道，

5、开创了人类航天史的新纪元。以后，美、英、法、日和中国、印度等国均成功 地发射了人造卫星。自60年代中期开始，卫星的发展便从探索试验转入实用阶段。如今，人类发射的侦察、预警、通信导航、天文气象、海洋监视、测地探矿等应用卫星巳超过2500颗。它们在经济、军事和科研中发挥了非常大的作用.随着航天技术的发展，人类不断刷新航天纪录-创造出一个个惊人的奇迹。诸如：1961年4月12日开辟了载人航天的成功之路；从1959年开始又开创了对月球的探测和人类登月考察的新篇章；自70年代起，人类对太阳系中的行星先后进行了探测，前苏联和美国并相继在空间建立了航天站；80年代初又发明了能重复使用的航天飞机等等。这些令人

6、鼓舞的成就，对航天技术及其它科学领域的发展都具有深远的历史意义。 二、火箭技术与动量、机械能守恒1 .火箭推进原理所有航天器的发射都依靠火箭技术，而火箭的飞行是遵循着质点系动量定理和动量守恒的。竖立在发射架上的火箭本身带有燃料和 氧化剂，火箭在发射前总动量为零，当点火燃烧后，高温高压的气体不断从火箭尾部的喷管往后喷出，从而使火箭获得向上的巨大推 力，克服自身的重力，向太空冲去。下面我们看一下火箭所受的推力大小和火箭的运动速度。(1) 火箭推力大小运载火箭的推力是火箭设计中的一个重要指标。当燃气从大气尾部喷出时，将产生的一个推力使火箭升空，这个推力可近似由下 面的方法计算。将总系统分为火箭和喷出

7、气体两个子系统，假设总系统在t时刻向上运动的速度为v，在dt时间内喷出运动速率恒为u的燃气，质量dm。则可以计算燃气在dt时间内的动量变化：t时刻：燃气对地速度为v ,动量为vdm2, t + dt时 刻：燃气对地速度为(v+ dv- U),动量为(v+ dv - u)dm2，所以动量的变化为dvdm2- udma，如果略去两级小量dvdm2，可得 燃气的动量变化为一udm2。按动量定理，燃气受到的箭体的推力为：F =7竺,它的反作用力就是火箭受到的燃气的推力： dt- dm2(1)F二 u u=dt结果表明火箭推力正比与喷气速度u和喷气质量流量匹。例如运载阿波罗等月飞船的火箭，它的 dt25

8、00m/s ,= 1.4X 104kg/s，代入公式可得：F 二 3.5X 107N。dt(2) 火箭的速度火箭是依靠连续不断的喷出大量质量m极小的燃料气体才得到连续平稳的加速上行。为了进一步说明火箭在这一过程中获得的速度，先不考虑地球的重力作用，将质量为M的火箭中的燃料燃烧后喷出的燃料 气体看成质量为m (远小于 M)、相对火箭速度为u的细小弹丸，由于火箭不受任何外力，因此火箭系统总动量守恒，当弹丸以速度u向后喷出，火箭就获得与弹 丸等量而方向向前的动量，由于燃料不断燃烧，火箭体的质量就不断减小，因而火箭是一个变质量体系，我们用动量守恒来计算火箭最后得到的速度。首先看一下火箭和燃料的质量关系

9、，在t= 0的时刻火箭的总质量M，在t时刻火箭的质量为M;到t时刻为止已喷出的燃料气体质量为m (t)。因为在这过程中，系统的质量是守恒的，我们可以得到：M (t) + m (t)= M微分后：dM + dm = 0或者dM = dm即在dt时间内喷出气体的质量dm等于火箭质量减小的质量dM(dMO，则e1,轨道为双曲线;若Eo=o ,则e=1,轨道为抛物线；若eovO，则e1，轨道一般为椭圆（当e=0时，轨道为圆形）。根据以上r、p、e、e等之间的关系，就可以对卫星的运行轨道进行控制。卫星的运行轨 道一般由主动飞行段和自由飞行段组成，主动飞行段通常是卫星变轨发动机的点火工作段，变轨 发动机熄

10、灭后进入目标轨道呈自由匕行状态，成为自由飞行段，变轨控制是使卫星从一个自由飞图1卫星轨道行段的轨道转移到另一个自由飞行段的轨道。变轨前后的两个轨道可以在同一个平面内，也可以在不同平面内。例如，改变P可引起轨道形状的变化，改变偏心率e可引起轨道性质（如圆、椭圆，抛物线，双曲线轨道）的变化。在任一位置P处，改变r、v之间的夹角，可以使卫星从一个轨道转到另一个轨道。一般向目标轨道发射卫星可以有以下三种情况：（1） 一种是在ro处关机，经过惯性段，然后进入目标轨道（图 2）。（2） 种是在目标轨道某点处直接进入（图3）（3） 一种是先进入一个停泊轨道，然后由停泊轨道ro转移到目标轨道（图4 ）。卫星正

11、常运行时，要靠停泊轨道控制系统保证卫星的轨道运行，以完成预期的飞行任4”图2目标轨道图3目标轨道直接进入图4轨道转移务。2.人造卫星与通信技术1957年10月4日，前苏联在哈萨克共和国中部的拜科努尔航天中心成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星一一人造卫星1号。这颗卫星虽然很小，直径只有58厘米，重仅83. 6千克，内部结构也很简单，只装有一台双频率的小型发报机、温度汁以及电池等，但它却具有重大的历史意义，表明人类有能力把重物推上天空，使它绕地球旋转，宣告了航天时代的到来。1958年1月31日，美国也把它的第一颗人造卫星一一探险者1号送入轨道，尽管这颗卫星更轻，仅重& 22千克，但它首次发现了地

12、球周围空间存在着大量被地球磁场俘获的带电粒子区域一一地球辐射带。这是航天技术最初取得的重大科学成果。1970年4月24日，我国也成功地发射了第一颗人造地球卫星一一 “东方红一号之后第五个发射卫星的国家。“东方红一号”这颗科学实验卫星设备齐全，总重量为173千克，比前四个国家发射的第一颗卫星的重量之和还多33千 克，并首创在卫星上向宇宙播放“东方红”乐曲的先例。1975年11月26日.我国又成 功发射了返回型遥感卫星，并经三天正常运行后，按预定计划顺利返回，成为世界上第三个掌握此项技术的国家。此后，我国又掌握了一箭多星技术，于1981年9月20日，首次用一枚 运载火箭把三颗卫星送入各自轨道。在1

13、984年和1988 年，我国还分别成功地发射了首枚地球同步卫星和首枚太 阳同步卫星。1990年4月7日，用长征三号运载火箭把亚洲I号通信 卫星成功地送入预定轨道，入轨精度达到国际先进水平。 1997年5月20日，用，成为继前苏联、美、法、日图5几种不同类型的卫“长征三号甲”运载火箭将“东方红三号”同步通信卫星送入预定轨道；年6月10日，用“长征三号”运载火箭将“风云二号”同步气.象卫星送入轨道。并定点在东经105 0赤道上空。19971999年5月10日，在太原卫星发射中心用“长征四号乙”运载火箭将“风云一号（C星）”气象卫星和“实践五号”科学实验卫星两颗太阳同步卫星同时送入轨道，轨道高度为8

14、70千米。图5为我国发射的几种不同类型的卫星。目前欧洲最先进的重型火箭一一 “阿丽亚娜5型”能将6吨的有效负荷送入高空轨道。美国的“大力神4B ”的起飞推力达到15127千牛顿，也能将近6吨的载荷送入地球同步轨道。迄今全球已发射了约4 000颗各类卫星、转发器和航天器，它们在通信广播、对地观察、导航定位、科学研究以及气象等领域得到广 泛的应用。 在人造卫星的大家族里，成熟最早、应用最广的要算是通信卫星了。它向你通报世界各地的最新信息，给你带来五彩缤纷的电视节目，让你欣赏文艺表演和体育比赛，让你获得知识增长才干。可在半个世纪以 前，这一切都还只是一个美好的幻想。这是因 为用来传输电视的是一种波长

15、很短的无线电波，叫微波，它只能像光线一样沿直线传括。由于地面是弯曲的，所以微波传播不远，就会 离开地面，进入太空。过去用 微波传送电视，地面上要每隔一段路程建立一个中继站，像接力赛跑一样，把电视信号一站会一站地送向 远方。一个50米高的微波中继站，有效传播距离只有50千米左右，例如，从北京到拉萨，有2600多千米，如果依靠微波接力站 传送电视信号，沿途需要建立50多个微波中继站。因此，为了把电视信号传送到遥远的边疆、山区和海岛，就必须建立像蜘蛛网似 的密布全国的中继线路，需要投入很大的人力和物力。如果遇到大海，海面上是无法建立微波接力站，电视信号也就无法飘洋过海。所 以，半个世纪以前，海洋这边

16、的人要想看到海洋那边的电视，是根本不可能的。俗话说“站得高，看得远”。如果能够把微波中继站建在离地面很高的地方，那么，微波就可以传递得很远。1945年，英国 科学作家克拉克发表了一篇论文，名叫地外中继站 在这篇文章中，克拉克设想，如果在赤道上空3.58X 104km高度的圆形轨道上，有这么一个微波中继站，它就可以在相隔1.8X 104km的两地之间传输信息，可以把微波传递到大约40舶勺地球表面。这样，只要在地球赤道上空的轨道上均匀分布地建立三个中站，就再也不必担心山高路远、大海阻拦，全地球除两极地区以外的地方，都可以收 到对方播发的电视节目，还可以进行相互通话。人们要问，怎样才能在离地 球3.

17、58 x 104km的高度上建立起这样的微波中继站呢？克 拉克说，这可以利用人造卫星，将卫星发射到赤道上空3.58X 104km高的轨道上，并且让它按照和地球自转速度相同的速度在轨道上 运行，这样，它就会 总是悬在地球上空的某一个地方，看上去就好像它始终没有移动，而是“静止”在那里。因此，人们把这种卫星叫 做“静止卫星”或称“同步卫星”。但是，当克拉克发表他的设想的时候，运载火箭还没有诞生，人造卫星还没有出世，许多技术问题 都还没有解决，在这种情况下要来探讨用“静止卫星”进行全球通信 的问题，实在是不切合实际的。因此，有人认为他的这一设想只不 过是一个科学幻想。但是，1957年第一颗人造卫星上

18、天以后，仅仅经过6年时间，1963年美国就发射成功名叫“晨鸟”的第一颗静止卫星，在巴西、尼日利亚和美国之间 进行了电话和电视转括，实现了克拉克的预言。通信卫星大都分布在大西洋、印度洋和太平洋上空的地球静止轨道上。目前，世界上洲际间的电话、电报、传真和电视转播等通 信业务，巳经大部分由通信卫星来承担。通信卫星的通信容量大，可靠性高，传输距离远，不受地理环境的影响等，优点很多，所以倍 受各国的重视和欢迎。通信卫星为人类的通信活动提供了日新月异的手段。今天，随着互联网的发展，通信卫星巳不再是简 单的通信中继站，而成为在 太空进行大量信息处理和信息交换的中心，成为信息高速公路的“太空枢纽”人们可以利用

19、通信卫星在家里直接拨通国际长途电话，无论走到哪里，打开电脑上网，通过卫星就可以同万里之外的亲友交谈，与客户 联系业务，坐在家中就可以参加电话会议和指导外科手术，可以通过通信卫 星向外国的图书资料中心查阅资料、索取数据。总之，在21世纪，通信卫星将发挥越来越重要的作用。四、载人航天技术1 .载人航天工程七大系统(1)航天员系统载人航天首先要有航天员及其上天飞行的保障设施。这是一个航天员为中心的医学和工程相结合的复杂系统。它 涉及航天生命科学和航天医学等领域，包括航天员的选拔训练、航天员的医学监督保障、航天员的一样食品、航天员飞行训练模拟等 分系统。(2)载人飞船系统飞船是载人航天的核心部分，它为

20、航天员和有效载荷提供必要的生活和工作条件，保证航天员进行 有效空间实验和出舱活动，并安全返还地面。(3)运载火箭系统运载火箭是把载人飞船安全可靠送入预定轨道的运载工具。包括箭体结构、动力装置等10个分系统，特别是增加了载人所 需的故障监测分系统和逃逸救生分系统。(4)飞船应用系统载人航天工程最终是为了应用，创造效益，因此飞船应用系统是备受关注的部分。它利用载人飞船 的空间试验支持能力，开展对地观测、环境监测、生命科学、材料科学、流体科学等试验，安装有多项 任务上百种有效载荷应用设备。(5)测控通讯系统当运载火箭发射和载人飞船上天飞行以及返回时，需要靠测控系统通信系统保持天地之间的经常联系，完成

21、飞船遥测参数和电视图像的接受处理，对匕船运行和轨道舱留轨工作的测控管理，这个测控通信系统由北京航天指挥控制中心、陆上地面测控站和海上远 望号远洋航天测量船队组成、执行飞船轨道测量、遥控、遥测、火箭安全控制，航天员逃逸控制等任务。(6)发射场系统神舟号K船的发射场选在酒泉卫星发射中心，发射场系统由技术区、发射区、试验指挥区、首区测量和航天员区组成，形成火 箭、飞船、航天员从测试到发射以及上升段、返回段测量的一套完整体系。(7)着陆场系统载人航天这路着陆场系统包括主、副着陆场，陆上应急援救、海上应急援救、通信测量、航天员医保等部 分。2 .载人航天器的种类及其特点载人航天是指人类驾驶和乘坐载人航天

22、器在太空从事各种探测、试验、研究、军事和生产的往返飞行活动，其目的在于突破地球 大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展 到太空，更广泛和深入地认识地球及其周困的环境，更好地 认知整个宇宙；充分利用太空和载人航天器的特殊环境从事各种试验和研究活动，开发太空及其丰富的资源。根据飞行和工作方式的不同，载人航天器可分为载人飞船、空间站和航天飞机三类。(1)载人七船独立往返于地面和空间站之间，如同人类沟通太空的渡船，它能够与空间站或者是与其他航天器对接后进行联合飞行。 但是，飞船容积小，所载消耗性物资有限，不具备再补给的能力，所以它的太空运行时间有限，仅能够使用一次。(2)与

23、载人飞船相比，空间站容积大、载人多、寿命长，可综合利用，是发展航天技术、开发利用宇宙空间的基础设施。在它上面 可对卫星进行修复，也可利用轨道转移匕行器在空间站和其他航天器往返运送物资或航天员，甚至可以在空间站上组装并发射航天器。前 苏联于1971年4月19日发射了世界上第一个空间站“礼炮”1号；美国于1973年5月14日用“土星” 5号改进型运载火箭将“天空实验室”送入轨道。(3)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。3 .航天飞机的组成、运行过程图2图

24、6航天飞机的组成(1)航天飞机的组成图热渊褪攒栽，疝髓翟脸媪胧附6：:翻娄露助推器(2个)、 外置燃料箱、轨道器。固体火箭助推器：在升空初期提供推力。长度46 m。，直径3. 7 m,质量590t。推力11 700 kN，在升空中占总推力的71 %。在使用后分离出去，依靠降落伞减长度48 m，直径& 4 m，总容积2枪6 L,可容纳燃料719t。速，降落在海上，可以回收再用。外置燃料箱：储存主发动机所需的燃料。箱内分隔成两部分：前储箱容纳液体氧.，后储箱容纳液体氢。采用涡轮泵式输送系统。在使用后被抛弃，最后在大气中烧毁。轨道器：航天飞机的主体。外形像飞机(图7)o在固体火箭图7航天飞机的轨道器

25、助推器和外置燃料箱分离出去以后，航天飞机就是轨道器。所以往往也把轨道器叫做航天飞 机。它主要由以下几部分组成。1)机身。分为前机身、中机身和后机身三段。2)机翼、垂直尾翼、舵面。33)航天员舱。位于前机身，容积为 74m，可容纳至多8名航天员。4)主发动机。是液体火箭发动机，共3台。位于后机身，安装在球形接头上，可调节推力方向，控制飞行。每台发动机长4. 3m，直径2. 3 m,质量3 040 kg。燃料是液体氧和液体氢。燃烧产物水蒸气以2780m / S的速度排 出。每台发动机的推力是kN。为航天飞机升空提供29 %的推力。在固体助推器分离后，主发动机继续工作,直到把轨道器送入轨道，随后外置

26、燃料箱就脱离。5)轨道机动系统2个。在轨道器的后段，尾翼的两侧。该系统使轨道器精确进入轨道，进行轨道机动以及在最后使轨道器减速而 脱离轨道。它们也是液体火箭发动机，利用氮气将燃烧剂和氧化剂从各自的 储箱挤压到燃烧室，一接触就自动燃烧。每个轨道机动系统可产生推力26400 N。可以起动和关机1000次，总工作时间可达15小时。6)反作用控制组件。在前机身和后机身各有一个，互相配合工作，实现轨道器姿态控制或轨道微调。由38个固定喷嘴和6个游动喷嘴组成。可控制轨道器移动以及滚转、俯仰和偏航转动。7）绝热瓦。由于航天飞机（轨道器）返回过程中，以极快的速度（7.9km/s ）进入浓密的大气层时，与空气激

27、烈摩擦要产生大量的热（即所谓的“气动加热”），且在距离地面60km左右,温度变得最高，机头温度可高达到1000 30000C,整个机身变成一个炽热耀眼的火球，与地面的无线电通讯都会暂时中断（称为“黑障现象”）。而航天飞机上有宇航员和珍贵仪器资料，要保证他们经过烈火高温的洗礼后顺利返回地面，它的表面必须覆盖陶 瓷绝热材料层，俗称绝热瓦。这种绝热瓦主要由耐高温的碳化物、氮化物、氧化 物材料经过现代特殊工艺加工制成，称新型复合高温陶 瓷瓦，它由两部分构成，外层包覆的是高辐射陶瓷 材料，内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。航天飞机的这种绝热瓦“外衣”（又叫“避火衣”）有31000块陶瓷瓦片，每块长1

28、520cm、厚059cm，每片价格20003000美元。使用时将它们拼接起 来，仿佛中国古代的“金缕玉衣” 一般，非常合身。这样做法有两个好处：一是每个陶瓷片之间都留有微小空隙，可以防上受热变形互 相挤压而损坏：二是如果个别陶妾片毁坏,修理起来方便。航天K机的机头和机翼的前缘，温度最高,必须重点保护，通常使用最厚的“陶 瓷瓦片”。当航天飞机返回地球通过大气层与空气剧烈摩擦产生大量的热时,绝热瓦遇到高温时会自己先燃烧起 来，其中大量的有机物会发生 化学分解和气化,带走大量的热量,并在燃烧自己的同时，还形成了一层厚 厚的多孔炭化层,紧紧地附着在轨道器的外壁,这一层炭化层具有 极好的隔热效能,在它严

29、密的包要下，能有效地防止外界热量传入舱内。它的双重奇妙功能，使轨道器中的温度可以保持正常，一般在35oC 以下，十分安全。经科学家研究表明，“避火衣”是保证轨道器安全返回地面的关键设施之一。而且，如果减轻“避火衣”的一些重量，对发射火 箭推力的要求就可以降低很多，从而可以大大降低 宇航工程的成本。根据科学家计算,宇航飞行器的“避火衣”重量减轻1千克,可以使 推动火箭减少500千克；如果“避火衣”能减轻15%、那么可以使宇航器的飞行距离与上升速度各增加10% !（2）航天飞机的运行过程航天飞机一次飞行任务的时间是714天，必要时可以延长。典型的飞行任务分为三个主要阶段。第一阶段：发射和入轨。1

30、）在发射台上预先点燃主发动机（液体火箭发动机）。当点燃固体火箭助推器时，总推力才超过重力，此时航天飞机离开发射台 上升。2）升空20秒，航天飞机转身，达到滚转角180。，俯仰角78。3）升空2分，固体火箭分离出去（此时高度45km），打开降落伞，降落在海上，将回收再用。4）升空8.5分，主发动机关机。5）升空9分，外置燃料箱被抛弃（将在再入大气层过程中烧毁）。从此以后,航天飞机就是轨道器。6）升空10. 5分,轨道机动发动机开动，使航天飞机进入低轨道。7）升空45分，轨道机动发动机再次开动，使航天飞机进入较高的圆轨道。第二阶段：在轨道上执行任务阶段。航天飞机的典型轨道参数是：轨道高度35065

31、0km，轨道倾角（即轨道平面与地球赤道平面之间的角）39。516 一。航天飞机可执行的任务包括：进行科学实验、对地球和天体观测、向太空站运送人员和物资、释放卫星、回收失效的卫星，修理其他航大器（例如Hubble哈勃太空望远镜）等。在执行这些任务时要进行许多次轨道机动和姿态机动。在正常况下航大飞机的姿态是：机头向前，舱顶在下（近 地球）。第三阶段：返回和着陆。在完成任务后航天飞机返回和着陆是十分复杂的过程（见图8 ）。1 ）在离着陆场大约半圈轨道距离时，地面控制中心发出返回指令。2）把飞机的姿态转成尾部向前，并开动轨道机动发动机，使航天飞机减速，从而离开运行轨道，进 入返回轨道（这个动作叫做离

32、轨）。3 ）经过大约25分，航天飞机到达大气上层。再次改变姿态，使得头部向前，且具有40。俯仰角。图8航天飞机返回和着陆4）在大气中航天飞机能像飞机滑翔机那样（没有动力）飞行，由机载计算机控制飞行。5）当航天飞机距离着陆场225 km （高度45. 7km。）时，捕获到无线电信标，以后就由机长控制飞行，他要把航天飞机 保持在一个直径为5. 5 km的虚拟管道内，因而能对准跑道。6）在放下起落架后不久，航天飞机就触地，除机轮刹车外，还利用垂直尾翼上的减速板和从尾部张开的减速伞，促使航天飞机停 止。这样整个飞行任务就完成了。目前，天地往返载人航天器有两个基本的类型：美国的航天飞机是一类，俄罗斯的S

33、oyuz （联盟号）飞船是另一类。航天飞机的优点，第一是可部分重复使用。除外置燃料箱被抛弃和烧毁外，固体火箭助推器壳体可以 回收再用，轨道器则返回地面，经过修理后可以重复使用，预计可以飞行100次。这样就可以降低载人飞行的成本。但事实上航天K机每次飞行后的维护和修理费用很高，所以经济性并不像原来预期的那样好。 第二是承载能力大，可乘坐8名航天员，还能运送大量物资。而Soyuz飞船只能乘坐3名航大员。第三是具有强大的轨道机动能力，能执行许多功能任务。航天飞机的缺点是构造太复杂，飞行过程也太复杂。这不仅造成研制费用的极其高 昂，而且也引起可靠性的降低。 五、登月技术与火星探测1 .登月技术月球是距

34、离地球最近的一个天体。月球环境具有引力小、真空、无菌、磁场小、温差大、昼夜交替周 期长、在地球视线内等特 点。月球地质条件特殊，具备地球原材料资源。整个月球犹如一个巨大的稳定平台，适合于开展科学研究和天文观测。以上特殊的环境 和条件，使得建造月球基地变得很有吸引力。月球基地有可能成为人类在地球外星体上建立的第一个活动场所。1969年，也就是在人类第一次发射人造地球卫星之后仅12年和人类第一次飞往宇宙空间之后仅8年，人类有史以来首次成功地登上月球表面。首次飞向月球并登上月球的人是美国宇航员。先后登上月球的共有12名宇航员，其中最先登 上月球的是N 阿姆斯特朗和E 奥尔德林。他们两人乘坐由宇宙飞船

35、主要部分（返回地球的宇航员驾驶舱和发动机舱）和登月舱 （着陆和起飞级）组成的“阿波罗一11号”在1969年7月16日成功地登上月球。“阿波罗一 11号”飞船指令长是N 阿姆斯特朗，E 奥尔德林是登月舱领航员，而第三名飞船成员 M柯林斯是飞船生要部分领航员。 “阿波罗一 11号”宇宙飞船用大功率火箭“土星一5号”（属美国二级和三级运载火箭系列，有40层搂房高）送入近地轨道，起航76小时之后离开近地轨道，成为一颗人造月球卫星，然后才开始独自飞往月球。实际上正是这样分步而不是直接的登月方法才完成了史无前例的登月星际飞行。整个飞船并没有在月球上着陆，着陆的只是登月舱，走出登月舱的是阿姆斯特朗和奥尔德林

36、，而柯林 斯仍留守在登月舱里。当登 月舱刚从飞船主要部分对接处分离时，着陆便开始进行。此后登月舱需要转入更低轨道，选择着陆地点并开始降落。阿姆斯特朗负责登 月舱 手动控制，并顺利地将登月舱着落在名为死海的一个环形山中。月球表面上所谓的“海”，实际上是宽广平坦的低洼地。指令长阿姆斯特朗小心翼翼地用脚触了触月球表面之后才迈出了第一步。这时他情不自禁地说：“对人来说这是一小步，而对整个人类而言，这又是何等巨大的飞跃”。过了一段时间，领航员奥尔德林与阿姆斯特朗相会合。阿姆斯特朗很快学去了地球人不习惯的移动方式 跳跃。他们时而用一只脚着地跳跃，时而又同时用两只脚着地象袋鼠一样跳跃。宇航员们在月球上边 跳

37、跃，边收集月球土壤样品， 并在月球表面上安装各种测量仪器，如安装研究来自太阳的带电污染粒子流 的仪器、月球地震仪和激光反射镜一一准确测量地球与月球 表面两点之间的距离。阿姆斯特朗在月球上的宇宙飞船外面共逗留了2个半小时，奥尔德林逗留时间比他少20分钟。1969年7月2日宇航员们安全返回地球。此后又多次去月球考察，其中最成功的是“阿波罗一 12号”、“阿波罗一 14号”、“阿波罗一 15号”、“阿波罗一 16 号，、，阿波罗一 17号”宇宙飞船的登月飞行。“阿波罗一 13号”飞船由于中途发生故障，只能围绕月球飞行后返回地球。先后登 上月球的12名宇航员中有6名考察队成员。最后一批考察的宇航员在月

38、球上亲自开动四轮月球车，沿月球表面作很长路程的考察旅行。当宇航员沿灰色尘埃月球表面徒步行走或乘坐月 球车考察旅行时，地球人在自己周围看到的只是一片 死气沉沉的寂静世界：没有 图9 美国宇航员登月时的照片 任何生命、空气、水、声音、云、雨、极光，陨石。但是，他们真的找到了一个“调查者号” 一一美国为研究月球而发射的宇宙飞行器系列。“调查者号”在地 球上的重量约1吨，在月球上着落后重约285千克。在19661968年期间，美国先后向月球发射了 7个“调查者号”。图9为 美国宇航员登月时的照片。登月式飞船与卫星式飞船最大的不同就是增设了登月舱。其座舱分前舱、航天员舱和后舱3部分，前舱放置着陆部件、回

39、收设备、姿控发动机等；航天员舱为密封舱，存有供航天员生活14天的必需品和救生设备：后舱装有各种仪器、 贮箱、计算机和无线电系 统等。E:地心M :月亮L :发射场To :停泊轨道入轨点：地月转移轨道入轨点f。：滑行角距fi :飞行角距图10登月飞行平面图图11登月飞行立体示意图登月方法采用停泊轨道中转。登月飞行器首先进入一 个绕地心运动的圆停泊轨道，然后从停泊轨道上的某点第二 次点火，进入地月转移轨道，采取停泊轨道中转比直接从地 面发射登月有以下 优点：在停泊轨道上可最后测试K行 器的各项性能，如控制、通讯等，以减小飞行的风险；为 进入地月转移轨道而加速时，可充分利用停泊轨道的轨道速度；停泊轨

40、道的轨道倾角可由地面发射站预先指定，而其轨道升交点经度 与入轨历元密切相关。由于地球的自转运动，可以证明在每24小时内有两次机会使停泊轨道的轨道面经过选定着月时刻的月心。登月号 行的整个过程如图1。、图11所示。当然有关登月飞行轨道设计、着陆技术等问题是十分复杂的，这里就不详细介绍了。自上世纪70年代初美国结束阿波罗登月计划后，人类登月活动一度停止。近10年来，重返月球的呼声增高，月球计划成为许多国家航天发展的重要目标。预计在未来的20年内，人类将重返月球。人类可以利用空间航天基地，进行地月轨道运输船的组装维护，最终建成月球基地。2 .火星探测火星在太阳系中其自然环境最接近地球，被认为是最适合

41、人类移民的星球，数十年来人们对火星始终寄予着最大的热情与最丰富 的想象。但要揭开火星的真实面目，只有通过火星探测。火星探测是用火星探 测器对火星进行近旁观测、环绕观测和实地考察的活动。 它自1962年开始进行，并在20世纪内取得了令人瞩目的成就。2003年6-7月，欧洲和美国的3个火星探测器相继发射升空，揭开了21世纪航天火星探测的序幕。为科学界热衷的载人火星飞行也有可能在21世纪前期首次进行。2（1）人类探测火星的成就1962年11月，苏联发射了世界上的第一个火星探测器。自那时起，至1999年1月，全世界只有苏联、美国和日本发射了用于探测火星的航天器。20世纪航天火星探测可分为2个时期。第一

42、个时期（1962-1975）,苏联发射了 7个。火星”号探测器和1个探测火星的“探测器”号行星探测器，美国发射了6个探测火星的“水手”号行星探测器和2个“海盗”号火星探测器。其中，1971年5月底发射11月中旬到达火星的“水乡9号探测器，成为第一颗人造火星卫星；1971年5月底发射、12月初在火星软着陆（指其着陆舱，下同）的“火星”3号探测器首次实现了在火星上的软着陆；1975年8月中旬、9月上旬分别发射的“海盗” 1号和2号探测器相继于1976年7月中旬、9月上旬在火星上软着陆后，用土样挖掘机和气象感测器进行了为期90天的探索火星上有无生命存在迹象和研究火星大气等活动。第二个时期（1 988

43、-1999），苏联于1988年发射了 2个“火卫一”号探测器（火卫一是火星的2个卫星中离火星较近的1颗卫星，与火星的平均距离约9400 km。周期7小时30分钟），其中1号因故障而失败，2号进入绕火星飞行的轨道对火星进行探测后又转入对火卫一进行观察的轨道拍摄了该卫星的图像；美国于1996 - 1999年相继发射了 “火星全球探测器”、“火星探路者”号探测器和“火星气候探测器”、“火星极地登陆器”共4个火星探测器，其中1996年11月发射（1997年9月到达火星）的“火星全球探测器”成为火星的卫星，对火星大气层和火星地 貌进行了长期探测，1996年12月发射（1997年7月到达火星）的“火星探路

44、者”号探测器用微型火星车（质量16kg ）对着陆点进行了 1个月的实地考察并发回了许多幅火星地表景观照片，分别于1998年12月和 1999年1月升空的“火星气候探测器”和“火星极地登陆器”在到达火星后均与地面失去了联系。日本于1998年7月发射的“行 星B”号探测器飞行途中出现故障，经挽救有望于明年到达火星周围空间。图12为“火星探路者”登陆火星模拟图。图12 “火星探路者”登陆火星模拟图 火星探测器获取的火星图像和探测信息，丰富了人类的火星知识库。它们的探测结果表明：火星的 大气不能保证人的生命。火星大气中有95.32%的二氧化碳，2.7%的氮，I. 6%的窟，还有少量的一氧化碳和氧以及微

45、量的臭氧.、氢和水蒸汽。火星大气极为稀薄，火星表面处的大气压力只相当于地面上空海拔30-40 km处的大气压力。火星地貌大致被一个倾斜于火星赤道面的平面分为2部分。大圆南部地貌与月球相似，表面崎岖，有不少陨石坑、环形山，还有许多火山口、峡谷和沟渠。大圆北部地势普遍比南部低，环形山也比南部少。但未发现 火星上有活火山。未发现火星上有液态水，但过去有过“洪水”的迹象，并发现在火星极地有“水冰”存在的证据。在火星着陆点附近 并未发现有类似地球上的生命过程。火星上是否存在生命，还有待今后的探测。火星大气层中有一种独特的“尘暴”现象，有时可遍及 整个火星，持续半年时间。（2）火星探测器轨道的特点火星探测

46、器轨道很复杂，但其基本特点可以用三种轨道加以描述，即绕地心运动阶段的轨道、绕日心运动阶段的轨道、绕火心运动阶段的轨道。下面在论述这三种轨道时。除作特殊说明外，均认为探测器在惯性飞行中分别只受到地球、太阳和火星的球形引力场的作用，而忽略引力摄动力、气动力摄动力等摄动力的影响。即探测器所受到的引力分别与其到地心、日心和火心的距离平方成反比。另外，把地球和火星绕太阳的公转轨道看作是共面、同向的两个圆轨道，它们的轨道半径分别为1.496X 108km、2. 279 X 108km。a）绕地心运动阶段的轨道为了选择有利的进入飞向火星轨道的起点，火星探测器在从地面起&后，一般先由航天运载器送入环 绕地球运

47、动的低高度近圆形停泊轨道。当探测器沿停泊轨道作惯性（无动力）运动到有利位置时，再用火 箭发动机的动力使探测器相对 于地心的运动速度v地7.9km/s。这样，探测器就以这个速度为初速进入一条能以惯性飞行脱离地球引力场的过渡轨道。这条地球引力作用范围内的过渡轨道不妨称为地球过渡轨道。它是以地心为焦点的双曲线 轨道。为了使探测器能飞达火星，在入轨点的地心距等于地球平均半径（6371km ）即入轨点在地球表面或停泊轨道沿地球表面时，地球过渡轨道的初速不得小于11.57km/s。随入轨点地心距的增加，这个初速的最小值会有所减小。当入轨点的地心距为6871 km （即停泊轨道高度为500 km ）时，地球

48、过渡轨道的初速值不得小于11.16 km/s。如若考虑到地球引力范围中存在月球时，那么还可以采用绕月飞行技术来降低地球过渡轨道的初速 值。其原理可参见绕火心飞行 阶段轨道。采用这种技术，地球过渡轨道的初速可以小于上段所述的最小值，但通过借用月球引力来加速，仍可使探侧器飞达火星。b）绕日心运动阶段的轨道火星探测器沿地球过渡轨道惯性飞行到地球相对于太阳的引力作用球范围时，探测器就进入绕日心 的运动阶段。探测器绕日心作惯性飞行的轨道，又称为地球一火星过渡轨道。探测器在地球一火星过渡轨道相对于日心的初速（即入轨速 度）等于入轨时地球绕太阳公转的速度与地球过渡轨道相对于地心的速度的 矢量和。当这个初速v

49、太V v逃太（逃逸太阳的速度）时，探 测器地球一火星过渡轨道相应地为以日心为焦点的椭圆；当逃太时，轨道为抛物线；当v太v逃太时，轨道为双曲线。采用何种 地球一火星过渡轨道，视入轨时地球和火星的相对位置等因素而定，以保证探测器沿轨道飞行能进入火星相对于太阳的引力作用 范围。 地球一火星过渡轨道的初速不得小于32.7 km/s （大于地球绕太阳的公转速度29. 8 km/s）、且方向沿入轨时地球绕太阳公转绕的方向。探测器将沿一条在近日点与地球公转轨道相切、在远日点与火星公转轨道相切的双共切椭圆轨道飞 向火星。这条双共切椭圆轨道远日点处相对日心的运动速度为21.5 km/s（小于火星绕太阳的公转速度24.1 km/s）,方向与该时火星绕太阳公转的方向相同。这条双共切椭圆轨道是能量最省的地球一火星过渡轨道。c）绕火心运动阶段的轨道火星探测器沿地球一火星过渡轨道惯性飞行到火星相对于太阳的引力作用范围边界时，探测器就进入绕火心的运动阶段。探测器绕火心作惯性飞行的轨道称为火