航天技术的发展

第五节航天技术的发展1.航空与火箭技术2.空间技术的发展3.我国的航天事业本节教学目的和要求1.了解航天技术诞生的社会历史背景，着重把握美国和前苏联的空间技术较量过程。2.把握人造卫星、宇宙飞船、空间站和航天飞机等技术的开发过程。3.重点掌握阿波罗登月计划对现代大科学产生的深远影响。4.了解中国航天技术的发展历程，正确认识发展航天技术的重大意义。一、航空与火箭技术人类用气球、飞艇和飞机实现了飞翔的梦想，但是这种飞行只能在大气层中，借助空气获得上升的动力。要实现宇宙空间的探索，需要一种全新的动力。1.从理论上探索火箭飞行技术的第一位科学家是前苏联的齐奥科夫斯基（KonstantinE.Tsiolkovsky1857-1935）2.他的名言：“地球是人类的摇篮，但没有人能永远留在摇篮里。”3.著有科幻小说《在地球之外》(1929)齐奥科夫斯基多级火箭理论1.齐奥科夫斯基于1898年写了《用于空间研究的反作用飞行器》的论文，提出了计算火箭速度的齐奥科夫斯基公式，并建议使用液氢和液氧的液体推进剂和多级火箭。2.1933年前苏联火箭发射成功。下左：齐奥科夫斯基于1883年绘制的太空舱草图下右：齐奥科夫斯基于1903发表论文中的火箭设计图1.另一位火箭技术的先驱是美国人戈达德（RobertGoddard1882-1945）2.戈达德在学生阶段就做过固体推进剂火箭发动机的试验，后来转向液体推进剂，并率先在1926年3月16日发射成功了液体火箭。3.这枚火箭在空中飞行2.5秒，平均时速96公里。戈达德第二次世界大战期间，德国秘密研制了V-1和V-2导弹，V-1实际上是一种带炸弹的无人驾驶飞机，长7.75米，翼展5.38米，用喷气发动机驱动，时速只有640公里。V-11.V-2则是由德国著名火箭专家冯·布劳恩（1912-1977）主持的皮尼门德小组设计的。2.它使用乙醇和液氧为推进剂，长14米，重13吨，推力27吨，最大速度是音速的5、6倍，最大高度80公里，射程320公里。V-2美苏瓜分V-2技术1.从1944年9月到次年3月，德国向英国发射了1120枚V-2导弹，向欧洲其他国家发射了2500枚。2.德国战败后冯·布劳恩和皮尼门德小组的100多名火箭专家向美军投降，前苏联红军也缴获了一些技术人员和大量的V-2火箭。当时在NASA的钱学森主持了对冯·布劳恩的审问。1.冷战期间美苏两国竟相发展导弹系统。1957年8月27日前苏联第一枚洲际导弹SS-6发射成功。冷战运载火箭1.以SS-6为基础，前苏联改进成为运载火箭，发射了一系列航天器：如第一颗人造卫星、东方号宇宙飞船和联盟号宇宙飞船等。2.美国在60年代发展了组合运载火箭，利用已有的中程和洲际导弹作为运载火箭的组成部分。象搭积木一样组合成各种各样的运载火箭，用来完成不同的卫星和探测器的发射。“土星-5”号1.美国为完成“阿波罗”计划而专门研制的巨型运载火箭“土星-5”号，达到了当时火箭技术的最高成就。2.“土星-5”号是三级型液体推进剂火箭，全长85米，直径10米，重2893吨，起飞推力3644吨，3.能把46吨重的“阿波罗”飞船以第二宇宙速度送入月球轨道。SaturnV运输中的土星五号土星五号发射Apollo飞船二、空间技术的发展1.人造飞行器要在环绕地球的轨道上飞行，必须达到第一宇宙速度每秒7.91公里。只有大型运载火箭研制成功后，发射人造地球卫星才成为可能。2.1955年7月25日美国总统艾森豪威尔正式宣布了美国将发射人造地球卫星的计划，计划使用“先锋”三级运载火箭把9.7千克的卫星送入轨道。但是前苏联当时在大型运载火箭方面占有优势，因此抢先在1957年10月4日发射了第一颗人造卫星，这颗卫星的名字就叫卫星一号，呈球形，重83.6千克。每96分钟绕地球一圈。卫星一号1.与前苏联的成功相比，美国于1957年12月和1958年1月接连两次发射仅重9千克的卫星失败。2.后来在美国国会干预下，授权陆军使用运载火箭“木星-C”号，终于在1958年1月31日把人造卫星“探险者”1号发射成功。美国“探险者”1号1.1964年8月19日，美国成功地发射了第一颗地球同步轨道卫星。2.一般卫星高度只有数百公里，而同步卫星的高度达35800公里，因此需要强大动力的火箭。3.并且在轨道设计和制导、控制方面也更复杂。地球同步轨道卫星宇宙飞船和空间站1.在载人空间飞行方面，也是前苏联起步较早，1961年4月12日加加林乘坐东方一号升空，绕地球飞行一周，历时108分钟，然后返回。2.“东方号”共发射了6只。“阿波罗”登月计划1.面对前苏联的领先，美国人不甘落后，2.1961年5月25日肯尼迪在国会提出“在10年内把一个人送上月球，并安全返回”的任务，由此启动了“阿波罗”登月计划。阿波罗飞船1.阿波罗飞船是当时世界上最大的飞船，直径约4米，可乘坐3名宇航员。飞船分为3部分：2.指令舱，载3名宇航员往返月球；3.服务舱，装载飞行所需的各种动力系统、推进系统和环境系统；4.登月舱，将2名宇航员降落到月球上。科学史上第一大工程1.以后又有5艘“阿波罗”飞船登上月球。2.阿波罗17之后，美国的登月计划截止。3.该计划共耗资240亿美元，历时10年，先后有120所大学、2万家企业的400万人参加，堪称现代科学史上第一大工程。意义1.对于阿波罗计划的重要意义，首要的一条是人类离开了地球，踩到了另外一个天体上。2.在以后的五百年里，人类如果不消灭自己，他们也许会去任何地方。外面有整个宇宙在等待着。航天飞机1.美国人吸取阿波罗计划发射代价高昂的教训，1968年底NASA正式接受了研究一种可重复使用的航天器的设想。2.最后制造出了企业号、哥伦比亚号、挑战者号、发现号和亚特兰蒂斯号五架航天飞机。其中企业号只用于滑翔试飞。在挫折中奋进1.1981年4月12日7时，哥伦比亚号航天飞机起飞，绕地球飞行36圈，历时54小时半，然后在爱德华空军基地的跑道上着陆。2.1986年1月28日，挑战者号发射升空几十秒后爆炸。3.停止一年的飞行后，航天飞机再次起飞，“挑战者号”被代之以“奋进号”。哥伦比亚号失事1.美国东部时间2003年2月1日9时左右哥伦比亚在着落前解体。2.右：2003年1月16日哥伦比亚号点火后4秒时的情况国际空间站1.国际空间站由美国、俄罗斯、日本、欧洲航天局、加拿大等共同建造，计划耗资将超过630亿美元。2.根据协议，国际空间站80%的建设资金由美国负担，工作语言为英语，并由美国航空航天局牵头，负责从总体上领导和协调计划的实施以及在空间站运行期间发生紧急情况时进行具体指挥。分期组装1.空间站分三个阶段完成，总工期为10年。2.第一阶段从1994-1997年，为准备阶段，主要进行联合载人航天活动3.第二阶段从1997年11月开始，实际从1998年11月开始。为国际空间站的初期装配接段，1998年11月20日从拜科努尔发射场，用一枚“质子─K”火箭发射了一个重量为19.5吨，13米长，内部容积约72立方米(可用面积达40平方米)的俄罗斯曙光号功能货舱(FGB)。4.第三阶段从1998年到2004年。在这期间把美国的居住舱、欧洲航天局和日本各自的实验舱以及加拿大的移动服务系统等送上了太空，完成空间站的组装。国际空间站的组成1.美俄两国宇航局要进行至少43次太空飞行把各种部件送入轨道，其中包括由美国航天飞机执行的34次飞行和由俄罗斯方面进行的9次飞行。宇航员通过至少1800个小时的144次太空行走才能将这些材料组装成空间站。2.国际空间站由6个实验舱：美国1个、欧洲航天局1个、日本1个、俄罗斯3个(提供科研机柜)、1个美国居住舱(有洗手间、卧室、厨房和医务设备)、2个结点舱和服务系统及运输系统所组成，3.总重量为430吨，主桁架长88米，4个太阳电池阵宽110米，能提供110千瓦的电源功率，其中用户使用功率为46千瓦。居住舱的容积为1200立方米，有一个大气压。空间站的运行高度平均为397千米。三、我国的航天事业从亚洲说，中国航天技术综合水平可以说比较领先，比如在火箭技术方面我们和日本旗鼓相当；在卫星技术方面和日本各有所长；我们的卫星种类多、种类齐全，但日本由于拥有在电子领域方面的优势，因此在某些卫星的技术上领先于我们。与印度比，我国的中巴地球资源卫星目前的分辨率是20米，而印度的遥感卫星图片的分辨率是5米，并且已经进入国际卫星图片市场，这方面拥有一定的优势。但我国在今年10月发射的‘资源第二号’卫星在技术上比较先进。我们是世界上第三个同时拥有极轨和近地轨道气象卫星的国家。我国的导航卫星技术也是世界第三：我国发射的北斗导航卫星将是世界上第三种投入使用的导航卫星系统。而俄罗斯的GLONASS导航卫星系统目前基本上运转不正常，欧洲的伽利略卫星系统目前还处于研制阶段。中国航天发展史1958年4月，开始兴建中国第一个运载火箭发射场。1960年2月19日，中国自行设计制造的试验型液体燃料探空火箭首次发射成功。九月，探空火箭发射成功。1960年11月5日，中国仿制的苏联“Ｐ—２”导弹首次发射试验获得成功。1964年6月29日，中国自行研制的中近程火箭再次发射试验，获得成功。1964年7月19日，成功地发射了第一枚生物火箭。1966年10月27日，导弹核武器发射试验成功。弹头精确命中目标，实现核爆炸。1966年12月26日，中国研制的中程火箭首次飞行试验基本成功。1966年12月26日，中国研制的中程火箭首次飞行试验基本成功。1967年，“和平二号”固体燃料气象火箭试射成功。中国航天发展史1970年1月30日，中远程火箭飞行试验首次成功。1970年四月24日，“东方红一号”人造卫星发射成功。这是中国发射的第一颗人造卫星。1971年3月3日，中国发射了科学实验卫星“实践一号”。卫星在预定轨道上工作了八年。1982年10月12日，潜艇水下发射运载火箭获得成功，回收舱准确地溅落在预定海域。中共中央军委发电致贺。1984年4月8日，中国第一颗地球静止轨道试验通信卫星发射成功。1986年2月1日，中国发射一颗实用通信广播卫星。20日，卫星定点成功。这标志着中国已全面掌握运载火箭技术，卫星通信由试验阶段进入实用阶段。1988年9月7日，中国发射一颗试验性气象卫星“风云一号”。这是中国自行研制和发射的第一颗极地轨道气象卫星。1988年12月25日，中国科学院海南探空火箭发射场成功地发射了一枚“织女一号”火箭。1.“神舟”一号1999年11月20日发射2.“神舟”二号2001年1月10日发射3.“神舟”三号2002年3月25日发射4.“神舟”四号2002年12月30日发射2003年1月5日回收5.“神舟”五号2003年10月15日杨利伟思考题1.航天技术是在怎样的社会历史背景下诞生的？2.美国和前苏联围绕空间技术是怎样展开较量的？其实质是什么？3.概述人造卫星、宇宙飞船、空间站和航天飞机等技术的开发过程。4.为什么说阿波罗登月计划对现代大科学产生的深远影响？5.概述中国航天技术的发展历程。6.为什么说中国发展航天技术具有重大的意义？本节主要参考书1.谢础《空航天技术概论》(北京航空航天大学出版社)2.王细洋《航空概论》(航空工业出版社)3.[美]杰瑞·M利宁杰《太空漂流记》(海南出版社)