第07章 航天概论

后裔射日 嫦娥奔月 随着生产力的发展，人类对各种飞行活动进 行着不断的尝试。进一步反映了古人征服自 然，飞向宇宙的渴望与幻想。
孙悟空 最为精彩的当属孙行者的筋斗云，飞行记录连 当代的超音速战机都自叹弗如，似乎意味着当代人 类的航空航天工具仍由改进余地
最初的尝试
巧夺天工的中国古代飞行器
二十世纪航天技术的发展 太空先行者----动物飞上天 航天英雄
原苏联从1949年到1958年的10年间， 先后进行了31次生物火箭的发射，将42只小 狗送上了太空。 1957年以前的动物飞行实验，都未达到 地球轨道高度。1957年11月苏联发射第二颗 人造地球卫星-----“伴侣”2号，将一只名叫 “莱伊卡”的小狗送到地球轨道，这是第一 次进入地球轨道飞行的动物，
5 太阳能电池阵 俗称太阳能帆板，利用光电转换给卫星提 供能量。
对月球和月球更远的天体和空间进行探 测的无人航天器称为空间探测器。探测的主 要 目的是了解太阳系的起源、演变和现状； 探索生命起源和演变；寻找外地生命等。 主要的探测方式：从被探测天体附近飞过， 进行进距离观测；在被测天体表面硬这陆， 利用撞击前的短暂时间进行考察；在被探测 天体表面软着陆，进行实地考察，取样研究 或将样品送回地球研究。
小狗----莱伊卡 3年后，名字分别叫“皮西尔卡”和 “马斯卡”的两只小狗在太空飞行两天后， 在返回途中因座舱失火而被烧死。
1959年12月4日，美国发射“水星”飞船 金属模型时，把一只叫“萨姆”的恒河猴送上 太空，这只猴也安全返回地面。 1961年美国的水星号飞船吧一只黑猩猩载 入太空，在经历太空飞行猴，回收舱溅落在大 西洋上， 打捞上岸猴发现“哈姆”安然的呆在 座舱中。 动物飞行实验的成功，基本上证明了人可 以“飞”上太空，而且可以在那里生活。
返回座舱是飞船上升和返回过程中航 天员乘坐的舱段，是载人飞船的核心舱 段，要能承受再入大气层返回地面阶段 的减速过载和气动加热也是整个飞船的 控制中心。
空间站又称轨道站，分为单一式和组合 式两种，单一式空间站由运载火箭直接发射 入轨；组合式空间站由若干次火箭发射或航 天飞机多次飞行，把空间站的组合件运送到 轨道上组合而成。 空间站可供多个航天员长期工作和居住， 由对接舱、气闸舱、轨道舱、生活舱、服务 舱、专用设备舱和太阳能电池板等部分组成。
航天第一设计师------冯· 布劳恩
生于德国的冯· 布劳恩 13岁时就用6支特大 焰火把自己绑在滑板车上，点燃导火索进行 飞行实验。
1937年布劳恩进入德国佩内明德大 型火箭实验基地，领导火箭的研制，他 研制的V-2火箭（图见下页）成为现代 火箭的鼻祖。后至美国，先后研制了红 石、丘比特、潘兴等导弹。1969年7月 16日临晨在肯尼迪航天中心指挥发射了 “阿波罗”号飞船并成功登月。
万户飞天
火箭：早在距今1700多年前三国时期的古籍上 就出现了“火箭”的名称。 工作原理：油松，艾草等易燃物； 元明时代，火箭已经具备了 现代火箭的基本组成部分---箭头，推进系统（火药筒）， 稳定系统（尾部羽毛）和 箭体结构（箭杆）。
到了明代，古代的火箭技术发展的更加完备， 出现了“神火乌鸦”
4世界主要载人航天发射场
由于地球附近的自转速度最大，发 射载人飞船时，为了充分利用地球的自 转速度，以节约能源，航天发射场最好 设在赤道上。没有这个条件的国家，也 应尽量在低维度地区选择发射场址，同 时由于地球是自西向东旋转的，所以运 载火箭一般向东发射。
第三宇宙速度 当物体的速度达到16.6km/s时，物体将脱 离地球引力，在太阳引力的作用下沿抛物线 绕太阳运动，并最终飞离太阳系。
轨道要素 通常把中心重力场内的被运动（无动力飞行）称 为开普勒运动，而把开普勒运动的三种轨道情况： 椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道称为开普勒轨 道。 描述航天器的开普勒轨道要素有6个： 1 轨道半长轴 2 轨道偏心率 3 轨道倾角 4 升交点赤经w 5 近地点幅角ω 6 近地点时刻tp
航天器分为无人航天器和载人航天器。 无人航天器按是否环绕地球运动分为人造地 球卫星和空间探测器；载人航天器又可分为 宇宙飞船、空间站和航天飞机等。它们按照 用途和飞行方式还可进一步分类
人造地球卫星简称人造卫星，是航天器 中数量最多的一类，占所有航天器数量的 90%以上。按用途可将卫星分为科学卫星、 应用卫星和技术实验卫星。 科学卫星：发展科学卫星的主要目的是： ① 研究近地空间环境和日地关系，为载人飞 船、应用卫星和战略武器的发展提供资料； ② 进行天文观测；③ 对地球科学，例如地球 磁场、电离层与磁层的关系、地壳力学、海 洋动力学等方面进行研究。
假设地球没有大气层，物体能绕地球运 动的最低轨道就是半径与地球半径相同的圆 轨道，因此地心引力等于航天器做圆周运动 所需要的向心力 mg= mv² /R 式中：g-----重力加速度 m----航天器质量 R----地球半径 v-----航天器速度
由上式可得圆轨道速度为7.91km/s，这是 从地面发射航天器使其环绕地球运动所需要 的最小速度。当物体获得这一速度后，不需 要再加动力就可以环绕地球飞行。 第二宇宙速度 当物体的速度达到11.18km/s时，物体 轨道是一条抛物线，物体沿这条抛物线飞离 地球，成为绕太阳运转的人造行星。
太空漫步第一人------列昂诺夫
登月第一人-------阿姆斯特朗
遨游天宫最多的人---约翰· 扬
航天器的飞行原理
航天器由运载工具发射升空到完成全部 任务返回的过程包括三个阶段：发射入轨道 段、轨道运行段和返回再入段。对应的有发 射轨道、运行轨道和返回轨道。
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航天器在轨道运行阶段主要是地球引力作 用下无动力惯性飞行，所以航天器可以采用 天体运动类似的方法研究。 宇宙速度 从地球表面发射飞行器，环绕地球飞行所 需要的最小速度称为第一宇宙速度，又叫环 绕速度。
美国哈勃太空望远镜 科学卫星
陆地一号（应用卫星） 世界上第一颗陆地资源卫星 美国1972年7月23日发射的
应用卫星：利用星载仪器设备，以应用 为目的，在轨道上完成某种任务的卫星 。 技术试验卫星：技术试验卫星是针对某 些航天器的特殊新工艺或某项新的系统技术 而设计的，其目的是进行预先的飞行试验。
第九章 航天技术
1 航天发展简史 2 航天器的飞行原理 、 3 航天器的分类与结构 4 航天发射场 5 运载火箭
航天发展简史 在各类星空神话中，对于天空中的明亮天 体---太阳和月亮，人类发挥了无与伦比的想 象力，不过中国人对于太阳有时不那么客气， 对于月亮则寄予优美的传说。 于是便产生了“夸父追日， 后裔射日，嫦娥奔月” 这几则千古传颂的神话。
太空哥伦布----尤里· 加加林
1961/4/12,前苏联宇航员加加林驾驶着 “东方”1号飞船 成为世界上第一个载人进 入外层空间的航天器，在108min的飞行中， 加加林由上尉荣升为上校。
不让须眉的首位登天女英豪---捷列什科娃
瓦连金娜· 捷列什科娃是世界上第一位女 太空人。1963年6.16日她驾驶“东方”6号宇 宙飞船在太空遨游70h50min，也是迄今为止 唯一一位在太空单独飞行近3天的女性。
2 外壳 外壳是外星最外层，形成外星的外表面，也承受 以部分外力，起承力构件作用。由于外星在运行中 几乎不受空气阻力作用，故其外形无特殊要求。 3 安装部件 安装部件是安装仪器设备，并保证安装精度和防 振、防磁、密封等要求的结构。 4 天线结构 天线结构为抛物面形，有固定式和展开式。通常 由线膨胀系数很小的石墨纤维复合材料制成。展开 形貌有：伞式、花边式、渔网式和桁架式。
我国实践四号科学实验卫星
卫星结构因用途而异，但从功能上看都由 承力结构、外壳安装部件、天线、太阳能电 池阵结构、防热结构和分离连接装置等组成。 1 承力结构 承力结构与运载火箭相连接，承受发射 时火箭推力，需要很高的强度和刚度。一般 由铝合金、钛合金或纤维增强复合材料制成， 形状为薄壁圆柱壳、波纹或蜂窝夹层圆柱、 截锥壳和杆件。
轨道半长轴a 长度是椭圆长轴的一半，可用千米或地球 赤道半径或天文单位为单位； 轨道偏心率e 椭圆轨道两焦点之间的距离与长轴长度的 比值，e=1时是抛物线轨道，e>1时是双曲线 轨道。
轨道倾角i 轨道平面与地球赤道平面的夹角。i<90° 为顺行轨道，i>90°为逆行轨道。
升交点赤经w
当轨道倾角i≠0时，轨道与赤道由两个 交点，卫星由南向北经过赤道的一点叫交点， 由北向南经过赤道的一点叫降交点。地球绕 太阳公转中，太阳从南半球到北半球时穿过 赤道的点称为春分点。春分点与升交点对地 心的张角为升交点赤经。
1903年发表《利用喷气工具研究宇宙 空间》的论文，推导出发射火箭运动必须遵 循的“齐奥尔科夫斯基公式”。
1929年提出了多级火箭的构想，为研 制克服地球引力的运载工具提供了理论支持。
火箭实验创始者------戈达德，美国人， 于1919年发表经典名著《达到极大高度方法》 中透彻的阐述了火箭运行的基本原理，同时 详尽的论述了火箭把人和设备送上月球的可 行性， 1935年，戈达德的 火箭冲破的20KM，时速 超过1193KM，首次实现 了人造飞行器的超音速 飞行。
原理：内部装满火药，发射后能飞一百多丈才 能落地，此时药线被引燃，内部火药爆炸。
“火龙出水” （图）
原理：五尺长的大竹筒，做成一条龙，龙神前 后各扎两支大火箭，这是第一级火箭，用来推动龙 身飞行，在龙腹里，也装有几只火箭，这是二级火 箭，这是原始的两级火箭。
进入20世纪，近代航天技术得到迅速发展。 火箭之父—-齐奥尔科夫斯基，俄罗斯人， 于1883年在《自由空间》论文中提出了宇宙 飞船的运动必须利用 喷气推进原理，并画 出了飞船的草图；
布劳恩----V-2火箭
动物作为载人航天的先行者，为人类上太 空开创了先行之路。 二战后，1948年6月到1949年9月，美国 科学家用缴获的V-2火箭先后4此将猴子发射 到60多km的高空，然而在返回地面时，4只 猴子全部被摔死，它们成为了人类奔向太空 的第一批牺牲者。1952年2月，美国又用火 箭发射了2只猴子，这一次猴子活着返回了地 面，验证了动物所能承受的飞行加速度。
苏联“月行者”2号月球车
苏联月球2号探测器
载人飞船是指能保障航天员在外层空 间生活和工作以及执行航天任务并返回 地面的航天器，又称宇宙飞船。 一般由返回座舱、轨道舱、服务舱、 对接舱和应急救生装置等部分组成。 （见下图）
轨道舱是航天员在轨道上的工作场所， 里面装有各种实验设备。 服务舱通常安装推进系统、电源和气 源等设备，对飞船服务保障作用。 对接舱用于飞船和其他航天器的对接。 应急救生装置保障在应急情况下， 使航天员安全返回地面或转移到其他航 天器上
近地点幅角ω 近地点与升交点对地心的引角，沿 卫星运动方向从升交点量到近地点，近 地点幅角决定了椭圆轨道在轨道平面的 方位。 近地点时刻tp
卫星通过近地点的时刻，以年、月、日、 时、分、秒表达 。
卫星轨道 卫星轨道是指从运载火箭与卫星分离开始， 到卫星返回地面时为止，卫星质心的运动轨 迹。它取决于星箭分离点的位置和速度。 根据卫星不同的任务，其轨道可分为： 圆轨道、椭圆轨道、地球同步轨道、极轨道 等。
和平号空间站
国际空间站 由美国，俄罗斯，日本，加拿大等过联合 研制开发
航天飞机是一种可以重复使用的，往返与 地球表面和近地轨道之间的航天器。由轨道 飞行器、外挂燃料箱和固体助推火箭三部分 组成。依靠火箭推进太空，返回时像飞机一 样依靠空气动力下滑着陆。 目前只有美国和苏联建造可航天飞机， 其中美国五架（挑战者号、哥伦比亚号、发 现号、亚特兰蒂号、奋进号，已坠毁架）， 苏联的航天飞机没有正式投入使用。
哥 伦 比 亚 号
前苏联暴风雪号
挑战者号
航天发射场
航天发射场，又名航天发射中心或航 天港，一般都是在导弹靶场和火箭实验场的 基础上发展起来的，主要由技术区、发射区、 生活区以及气象、后勤保障、安全警戒等系 统组成。
航天发射场作为人类登天的起点，有 严格的条件要求。
航天发射场的基本要求：
1 有利的地理位置和地形条件 2 良好的气象和水资源条件 3 可靠的安全保障条件