航天器的基本知识

航天器发展史

专业：10-221 学号：3042010039 姓名：王东航天器的基本知识

“在太空基本上按照天体力学规律运行，具有一定功能并执行一定任务的飞行器，称为航天器。航天器包括人造卫星、载人航天器(载人飞船、空间站和航天飞机)和空间探测器(月球探测器、行星探测器等)三大类。世界上第一个航天器是苏联 1957 ”年10月4日发射的“人造地球卫星 1号”，第一个载人航天器是苏联航天员加加林乘坐的东方号飞船，第一个把人送到月球上的航天器是美国“阿波罗 11 号”飞船，第一个兼有运载火箭、航天器和飞机特征的航天飞机是美国“哥伦比亚号”航天飞机。至今，航天器还都是在太阳系内运行。通常，航天器分为人造地球卫星、空间探测器和载人航天器。人造地球卫星，简称人造卫星，是数量最多的航天器，约占航天器总数的 90％以上。空间探测器，又称深空探测器，按探测目标分类。载人航天器，按飞行和工作方式分为载人飞船、航天站和航天飞机。航天飞机既是航天器又是可重复使用的航天运载器。航天器在天体引力场作用下的运动方式主要有两种：环绕地球运行和飞离地球在行星际空间航行。环绕地球运行轨道是以地球为焦点之一的椭圆轨道或以地心为圆心的圆轨道。行星际空间航行轨道大多是以太阳为焦点之一的椭圆轨道的一部分。航天器克服地球引力在空间运行，必须获得足够大的初始速度。在地球表面的环绕速度，称为第一宇宙速度。高度越高，所需的环绕速度越小。航天器在空间某预定点脱离地球进入行星际飞行必须达到的最小速度叫做脱离速度，又叫逃逸速度。预定点高度不同，脱离速度也不同。在地球表面的脱离速度称为第二宇宙速度。从地球表面发射飞出太阳系的航天器所需的速度称为第三宇宙速度。

一、火箭技术

火箭是人类实现航天的重要工具，无论是载人飞船还是人造卫星，都需要火箭作为运输载体。中国三国时期就出现一种带火的箭，即在箭杆前部绑有易燃物，点燃后用弓弩射出，称为火箭。后来火箭在古代中国逐渐发展为多种构造，如神火飞鸦，火龙出水等。19 世纪末 20 世纪初，随着科学技术的进步，近代火箭技术和航天飞行发展起来，先驱者的代表人物有前苏联的齐奥尔科夫斯基，美国人戈达德和德国奥伯特。齐奥尔科夫斯基毕生从事火箭技术和航天飞

行的研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明用多级火箭可以克服地心引力进入太空。他建立了火箭运动的基本数学方程，奠定了理论基础。戈达德博士在1010年开始进行近代火箭的研究工作。他在 1919 年的论文中提出了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有7.9km/s的速度才能克服地球的引力。他认识到液体推进剂火箭具有极大的潜力，1926年3月他成功在研制和发射了世界上第一枚液体推进剂火箭，飞行速度 103km/h，上升高度 12.5 米，飞行距离 56 米。真正的近代火箭的出现是在第二次世界大战时的法西斯德国。早在1932年德国就发射 A2 火箭，飞行高度达3公里。194210月成功发射 V-2 火箭（A4 型），飞行高度 85 公里，飞行距离 190 公里——300 公里。1950 年和 1955 年又先后研制成 P-2 和 P-3 火箭，射程分别达到 500 公里和 1750 公里。1957 年 8 月，成功发射两级液体洲际导弹 P-7，射程 8000 公里，经过改装的 P-7 于 1957 年 10 月 4 日，成功发射世界上第一颗人造地球卫星，从而揭开了现代火箭技术新的一页。前苏由于发射多种航天器的需要，先后研制成功"东方"号、"联盟"号、 "宇宙"号、"质子"号、"能源"号等多种型号的运载火箭，可将 100 多吨的有效载荷送入近地轨道。

二、卫星时代

1957 年 10 月 4 日，前苏联用“卫星”号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外径 0.58 米，外伸 4 根条形天线，重83.6公斤，卫星在天上正常工作了三个月。同年 11 月 3 日，前苏联发射了第二颗卫星，卫星呈圆锥形，重 508.3 公斤，这是一颗生物卫星，除了利用小狗"莱伊卡"作生物试验外，还用于探测太阳紫外线，X 射线和宇宙线。按照今天的标准衡量，前苏联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆球，但它却是世界第一个人造天体，把人类几千年的梦想变成现实，为人类开创了航天新纪元。人造地球卫星的计划设想早在 1945 年就在美国出现，美海军航空局已着手研究一种把科学仪器送入太空的卫星，次年美国陆军航空局在审核“兰德计划”的一项类似的研究报告中，就有"实验性环球空间飞行器"的初步设计——V-2 火箭。V-2 火箭的发射成功，把航天先驱者的理论变成现实，是现代火箭技术发展史的重要一页。“美国在 1926年由戈达德带领成功研制试验世界第一枚

液体火箭，到 1941年先后设计试验了代号为 A,K,L,P 的 4 种系列火箭。在这些火箭的改进中，主要加大了发动机尺寸，燃料的混合比例，利用陀螺控制燃气舵，研制小型离心来喷住推进剂，其中 1940 年研制的火箭已与V-2相差无几了。”1945 年 5 月，第二次世界大战德国战败，前苏联俘虏部分德国火箭技术人员，缴获了几枚 V-2 火箭和有关技术资料。在此基础上，1947年前苏联仿制V-2 火箭成功。1948 年自行设计了 P-1 火箭，射程达前苏联发射的第一颗人造地球卫星。随着现代科学技术和一系列大功率运载火箭的发展，为人造地球卫星的研制和发射打下了坚实的基础。人造地球卫星出现之后，年代前苏联和美国发射了大量的科学60实验卫星、技术实验卫星和各类应用卫星。70 年代军、民用卫星全面进入应用阶段，并向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋和地球资源等专门化方向发展。同时各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本方向发展。年代后期新起的单一功能 80 的微型化、小型化卫星是卫星发展上的新动向，这类重量轻、成本低、研制周期短、见效快的小型卫星将是未来卫星的一支生力军。

三、空间探测器

1959年1月苏联发射了第一个月球探测器——月球 1 号，此后美国发射了徘徊者号探测器、月球轨道环行器、勘测者号探测器。60年代以后，美国和苏联先后发射了100 多颗行星和行星际探测器、分别探测了金星、火星、水星、木星和土星，以及行星际空间和彗星。1998年10月美国航宇局发射的空间探测器“深空”1号率先实现了以离子发动机系统为主推进，这标志着电推进的应用进入了一个崭新阶段。“深空”1 号在离子推进系统工作期间，其自主导航仪能够根据太阳电池阵产生电能的模型和器载设备功耗的情况，选择推力器的节流级，调节推力大小。在一般情况下，弹道机动和中途修正也由离子推进系统来执行。目前法国正在研制稳态等离子体推力器，欧空局准备应用氙离子推力器。俄罗斯的稳态等离子体推力器得到了实际应用。日本的电弧加热式推力器已在空间自由飞行器上通过在轨测试。体气体聚变的推力器等。国际上核推进技术的研发也已崭露头角。核推进火箭提供的最大速度增量可达到每秒22千米，可以大大缩短探测器到达月球的时间。运用核推进火箭，探测器到达土星的飞行时间只需要3年，而传统航天器则要花费7年的时间。核推进火箭非常安全而且有利于环