工程热物理与航天航空{二}

工程热物理与航天航空（二）2007.12.26简答下列各题1）航天飞机，火箭，航天器，载人或货运宇宙飞船，人造卫星，空间站有何区别？各有何特点与用途？2）航空发动机的发展经历那几个阶段？现正朝哪个方向发展？3）航天推进器在原理上与航空发动机有何不同？目前用的最先进的是哪种？正朝那个方向发展？简答下列各题4）返回再入大气层解决热防护问题有哪些方案？我国神5等采用的是哪种方案？5）在空间站中如何解决长期生活用水，吸氧等维持人的生命必需的物品的供给？6）登月，探索宇宙太空有何现实意义？7）就你所知，说出10个航空航天史上的世界之最。航天航空的世界之最1)人类第一次超声速飞行。2）人类第一次进入太空。3）人类第一次登上月球。4）人类第一次登上空间站。5）人类第一次太空行走。6）人类在太空目前一次停留最长的时间？7）人类在太空目前一人累计停留最长的时间？8）马力最大的火箭。9）人类近代航天史上的两次最重大的事故。10）人类第一次向太阳系以外的宇宙太空探索。航天与航空“天”，是指地球大气层以外的宇宙空间，也可以称为外层空间、“空”，是指地球表面以上的大气层空间。不过，目前在国际上还没有划分“天”和“空”的明确界线，有些科学家提出以距地面100千米为界，在此之下是“空”，在此之上是“天”，但也有科学家提出不同看法，如以75千米或85千米为界。航天与航空航天活动要借助运载火箭、航天飞机、载人飞船或货运飞船，以及各种人造地球卫星、深空探测器、空间站等航天运输工具和航天器来完成。飞航空是人类利用航空器在地球大气层内的活动，这种活动主要是利用飞机、直升机、飞艇、气球等航空器实现的。航天与航空航天与航空区别：1．飞行环境不同。航天器在大气层外飞行，运行轨道的近地点高度至少l00千米以上。航空器在稠密大气层中飞行，飞行高度有限。现代飞机最大飞行高度离地面30多千米。2．飞行原理不同。航天器依靠火箭动力飞行(不依赖空气)，飞行原理是牛顿第三定律，即作用力和反作用力原理；而飞机、直升机等航空器是依靠空气动力克服自身重力升空的。3．飞行速度不同。实现航天的基本条件是航天器要达到足够的速度，以克服、摆脱地球引力或太阳引力。从地面发射的航天器要冲出大气层进入环绕地球的轨道，理论上必须达到7．9千米／秒的第一宇宙速度；若摆脱地球引力进入930000千米以外的太阳系，理论上必须达到11．2千米／秒的第二宇宙速度；若摆脱太阳引力进入银河系必须达到l6．6千米／秒的第三宇宙速度。而航空器的速度低得多，现代飞机最快速度只是声速的3倍多。航天飞机和载人飞船航天飞机和载人飞船都是在低地球轨道上运行的载人航天器，它们具有载人航天器某些共同的特征，例如，它们都有航天员环境控制与生命保障系统、应急救生系统、测控通信系统、交会与对接系统、返回着陆系统等等，但是它们采用的技术有很大区别，承担的任务也不完全相同。航天飞机和载人飞船主要的区别包括：航天飞机是一种有翼载人航天运载器，靠固体火箭助推器和轨道器主发动机垂直起飞，完成轨道飞行任务后轨道器再人大气层，借助机翼获得的升力，像飞机一样滑翔着陆，准确降落在跑道上。它在从起飞到返回地面的整个过程中，加速和减速都较低，航天员所处的环境比较舒适。载人飞船是一种无翼载人航天器，靠运载火箭发射进入近地轨道空间，完成轨道任务后，只能以弹道式或半弹道式等方法返回地球，并且落地误差较大。它的加速和减速都很大，即过载大，因而对航天员的要求很高，需要长期训练。航天飞机和载人飞船航天飞机是一种部分可重复使用的航天器，由轨道器、固体助推器体推进剂外贮箱组成，其中轨道器使用后经维修可再次发射，设计寿命可重复使用l00次(但主发动机为50次)，固体助推器可重复使用20次，贮箱使用一次。载人飞船目前只能使用一次，不能重复使用。航天飞机运载能力大，可载3～7人并将29．5吨物资送入l85～l110米的近地轨道。它主要用于空间运输和出载人飞船的运载能力有限，一般只能载3人和几百千克物资，在轨飞行l0天左右，它主要用于空间运输、对地观测、出舱活动以及相对少量的空间科学实验。登月载人飞船可以执行登月飞行任务，未来的新型载人飞船还将用于星际飞行。航天飞机和载人飞船航天飞机综合利用了运载火箭、载人飞船和飞机技术，堪称20世纪高技术产品最杰出的代表，是人类智慧的结晶，但它的结构复杂，技术难度大，制造和运行成本昂贵，至今仍有一些问题尚未得到解决，投入使用以来已出现两次重大事故，l4名航天员不幸遇难。载人飞船‘‘个头’’比航天飞机小得多，结构简单，技术成熟，研制周期短，风险小，成本低，从l971年6月联盟11号坠毁以来，至今未发生重大事故航天飞机和载人飞船航天飞机和载人飞船难分仲伯，各有利弊。但对任何一个国家来说，无论选择航天飞机还是载人飞船，都要根据本国国情、国力和航天计划的任务目标来做决策。事实上，载人飞船和重复使用运载器也在不断发展之中，未来将出现部分可重复使用的飞船，也将出现价格更低的单级入轨重复使用的航天运载器。载人飞船与人造卫星载人飞船与卫星的区别在于，载人飞船是有人驾驶和乘坐并进行载人航天活动，然后返回地面的航天器，它内部乘坐的是航天员，直接实现飞行任务的是人；人造地球卫星是环绕地球在空间轨道上运行的无人航天器，它内部“乘坐”的是执行特定任务的精密仪器，直接实现飞行任务的是卫星有效载荷。也就是说，它们一个是载人航天器，一个是无人航天器，所以它们的设计、技术难度、飞行任务都有很大不同。载人飞船与人造卫星载人飞船必须保证航天员在飞船发射入轨、在轨飞行和返回着陆时能正常地工作和生活，提供航天员与地面通信联络的手段，并确保航天员平安返回地面，也就是说它必须装备航天员的生命保障、环境控制、应急救生、话音与电视传输、仪表和照明、防热、返回着陆系统等载人飞船特有的系统。卫星是无人航天器，不必设置航天员工作和生活所需的复杂系统，可靠性要求也没有那么高。在卫星当中，只有返回式卫星有防热和返回着陆系统。载人飞船直接实现飞行任务的是航天员，卫星直接实现飞行任务的是卫星有效载荷，这些有效载荷都是精密的仪器，种类繁多。例如，资源卫星携带的遥感仪器和遥感数据处理与传输设备，通信卫星携带的通信转发器、天线和通信数据处理设备，导航卫星携带的导航数据发射机、发射天线和数据处理设备等等。载人飞船与人造卫星人造卫星与飞船都是航天器，它们也有航天器的共同之处。它们都有能够承力的结构分系统，提供能源的电源分系统，维持仪器设备正常工作所需温度的热控分系统，保证按预定轨道和姿态飞行的制导、导航和控制分系统，用于实施轨道机动的推进分系统，用于传输测控数据、图像并提供标准时间信息的测控通信分系统以及数据管理分系统等。不过，由于任务不同，所以它们的设计要求也不同。例如，卫星的舱体与飞船的舱体相比。不需要大的自由空间，也不一定密封。载人飞船与人造卫星载人飞船和人造卫星都是航天飞行器，但它们的用途大不相同。载人飞船主要用于将航天员运送到太空进行载人航天飞行并安全返回地面，在执行载人航天飞行任务时，飞船能够承担多种任务，有广泛的用途。人们可以利用载人飞船进行近地轨道载人航天技术飞行试验，开展各种近地轨道科学研究，进行新技术开发，开展载人航天医学研究，向空间站运送人员和补给物资，并且在空间站出现意外事故时可被用作航天员逃生和返回地球的“救生艇”，进行对地观测，用于军事侦察，执行载人登月任务，为建设空间实验室和空间站积累载人航天飞行的经验和实验数据。载人飞船与人造卫星不同的卫星有着不同的用途。例如，对地观测卫星是“千里眼”，它可以在天上观测和监视地球，我们可以通过减灾卫星来发现哪些地区发生了自然灾害，以便及时开展援助工作；通过资源卫星考察地球上的资源分布情况，发现新的矿产；通过气象卫星监测风云变换，提供天气预报；通过海洋卫星观察海洋的状态；通过侦察卫星了解我们的领土、领海和领空的安全.载人飞船与人造卫星通信卫星是“顺风耳”，它可以进行数据、话音、图像的远距离传输；导航卫星是“指南针”，它不但可用于飞机、舰船的定位和导航，还可以用于导弹武器制导，使导弹准确命中目标；科学技术试验卫星可以利用高真空、空间辐射等条件，进行各种科学技术试验。它为我们的生活带来了种种便利，极大地提高了我们的生活质量。人造卫星空间站空间站是具有较大规模的、长期驻留于近地轨道的多乘员、多舱段的载人航天器，轨道高度约400～500千米。空间站体积大，能源相对充足，航天员可以长期驻守，是一个很好的空间应用、技术试验和科学实验研究台。因此，前苏联／俄罗斯和美国很早就开始了空间站的研制与建设。礼炮号空间站是前苏联研制的试验性空间站。从礼炮1号到礼炮7号，共7个，除了礼炮2号出现严重故障失败外，其他6个都获得了成功。礼号空间站计划经历了一个技术逐步完善和成熟的过程，留轨时问和载人行时间不断增长，规模不断扩大，舱内环境控制与生命保障能力增强，功率提升，为长期载人空间站的建设累积了重要经验。航天员进驻空间站期间，进行了一系列技术实验和科学实验研究，取得了许多具有重要价值的研究成果。空间站天空实验室是美国早年运行的一个试验性空间站，于1973年5月l4日，用土星5号运载火箭送入太空，1979年7月11日结束飞行，历时6年有余。先后有3批9名航天员进入其中工作，展开了大量的技术试验和科学实验，成果显著。和平号空间站，是人类历史上第一个大型的在太空进行组装扩建自复合舱段的长期载人空间站。l986年2月20日其“核心舱”发射进入太空，1996年4月整个空间站组装完毕，形成有核心舱、量子l号舱、量子2号舱、晶体号舱、光谱号舱和自然号专业舱等6个舱段及联盟号载人飞船、进步号无人飞船组成的和平号空间站组合体，长达50余米，总质量123吨，总容积470立方米。和平号原设计寿命5年，实际在太空运行了l5年，环绕地球飞行近8万圈，先后与31艘联盟系列载人飞船、62艘进步系列无人货运飞船以及9架次美国航天飞机实现了对接，l2个国家134名航天员在站上生活和工作过。开展了包括生命科学、材料科学、空间制备、遥感科学、天文观测、对地勘查等多种领域大量卓有成效的科学技术试验和实验研究。个空间站2001年3月23日，和平号空间站按预计的进程坠入稠密大气层，未完全烧毁的残余件散落于南太平洋。国际空间站(ISS，InternationalSpaceStation)则是当前正在运行的国际合作的大型长期载人空间站，由美国、俄罗斯、欧空局12国、日本、巴西等l6个国家共同建设。可以说，这是人类航天史上规模最为宏大的航天计划。空间站国际空间站轨道高度约400千米，建成后总质量419吨，组合舱段总长74米，桁架长108．4米，增压舱总容积1202立方米，舱内压力制度与地面大气相似，电源输出功率达110千瓦，建成后的设计运行寿命为10年。整个空间站是一个多舱段组合体，全部组装到位后将包括曙光号功能货舱、联合舱、服务舱、命运号实验舱(美)、俄罗斯研究舱I和Ⅱ、科学能源平台(俄)、居住舱(美)、生命保障舱(俄)、通用对接舱、离心试验舱(美)、哥伦布号实验舱(欧空局)、日本实验舱，以及由航天飞机往返携带的多功能后勤舱。空间站此外，国际空间站还有巨大的桁架结构、相关辅助舱段、遥控机械臂I号和Ⅱ号、轨道运输车，以及作为应急返回的乘员返回运载器。目前为止，曙光号功能货舱、联合舱的l号节点舱、服务舱、命运号实验舱、遥控机械臂I号、用于航天员出舱活动的探索号气闸舱、联盟号飞船停泊口的对接舱l号，以及一部分太阳能电池阵、构架组件、轨道运输车等已安装到位。空间站2000年11月2日，第一批3名航天员进驻。后来，由于美国哥伦比亚号航天飞机失事，承担组装任务重要角色的航天飞机不得已全面停飞，放慢了国际空间站的建设进度，空间站的科学技术研究与实验计划也作了相应的调整。但不管有多少困难，各国航天界都有理由相信，国际空间站的基本计划一定会进行下去。礼炮－4轨道站和平号空间站和平号空间站国际空间站组建中的国际空间站再入大气层时热防护载人飞船返回舱从运行轨道返回地面时，将以大约8千米／秒的速度再入大气层，离地面l00千米时进入稠密大气层。此