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航天技术的应用 打开探索宇宙之门

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发表于 2018-1-8 20:32:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
  运用航天技术,叩开宇宙之门

  20世纪50年代出现了航天技术,这是人类20世纪最伟大的技术成果之一。航天技术又称空间技术,是一项探索、开发和利用太空以及地球以外天体的综合性工程技术,是一个国家现代技术综合发展水平的重要标志。半个多世纪来,航天技术发展非常迅速,很快从试验阶段进入实用阶段,广泛地应用于科学研究、军事活动和国民经济的诸多方面,不仅给人类带来了巨大的物质利益,而且还对人们的生活方式和思想观念产生了重大的影响。这里,仅就有关用航天技术对宇宙进行新探索的问题作几点说明。


  一、航天与航空的区别


  所谓航空是指人类在地球大气层中的活动。所使用的飞机、直升机、飞艇和气球等飞行器统称为航空器。所谓航天是指人类冲出地球大气层,到宇宙太空中去活动,即宇宙航行。它所使用的是航天器及其运载火箭。


  二、宇宙速度与运载火箭


  我们的中学生都学过抛射运动,知道抛射体的初速度愈大,向上抛就能抛得愈高,向前抛就能抛得愈远。人类要克服地球的引力,飞向太空,必须进一步加大航天器的运动速度。

  所谓宇宙速度就是指从地球表面向宇宙空间发射的航天器在其入轨处所必须具有的初始速度最小值,可分为以下三种:



  (1)作为环绕地球运行的人造地球卫星所必需的速度称为第一宇宙速度,或称环绕速度。其运行轨道为圆轨道,所以也称圆轨道速度。
  (2)作为摆脱地球引力场束缚而飞往行星际空间的行星飞行器所必须具有的速度称为第二宇宙速度,或称逃逸速度。其运行轨道为抛物线,所以也称抛物线速度。
  (3)作为摆脱太阳系引力场束缚而飞往恒星际空间的恒星际飞行器所必须具有的速度称为第三宇宙速度。其运行轨道为双曲线,所以也称双曲线速度。


  宇宙速度的数值与所发射的人造天体入轨点离地面的高度有关。例如,离地面高度为零而又不计空气阻力时,第一宇宙速度为7.9千米/秒,第二宇宙速度为11.2千米/秒,第三宇宙速度为16.7千米/秒。


  那么,如何才能使要发射的航天器达到所需要的宇宙速度呢?答案就是必须要用运载火箭。正如齐奥尔科夫斯基所说,火箭是人类冲破地球引力飞向太空的工具。火箭里装着不用空气就能点燃的燃料。燃料燃烧时喷出气体,气体的反作用力可以使火箭向前推进。火箭是在飞行过程中不断加速的,只要加速度不过大,可以保证人和仪器的安全。这种用燃料作动力的火箭,在没有空气的宇宙空间也能飞行。齐奥尔科夫斯基还指出,运载航天器的火箭应是多级火箭。目前,多级火箭一般由三级组成。每级火箭在燃烧完燃料后脱落,接着下一级火箭点燃。这样,火箭就可以不停地加速前进,把航天器送入预定轨道。


航天技术的应用 打开探索宇宙之门9 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:28741,112020


  三、航天器的分类


  航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器。航天器按其性能和用途又可分以下几种:


  其一是人造地球卫星,按其用途又可分为通讯卫星、气象卫星和军事卫星等。发射这种卫星只需达到第一宇宙速度约每秒8千米即可。1957年,苏联成功发射了人类第一颗人造地球卫星,开创了从太空观测、研究地球和整个宇宙的新时代。


  其二是载人飞船,它是能保证航天员在外层空间的生活和工作、执行航天任务并返回地面的航天器,也称宇宙飞船。它是运行时间有限、仅能使用一次的返回型载人航天器。1961年苏联成功发射了第一艘载人宇宙飞船,也就是由加加林乘坐的“东方”号飞船。载人航天器的上天,使人类能更直接地了解地球所处的宇宙环境。


  其三是空间站。它是可供多名航天员巡访、长期工作和居住的载人航天器,又称空间站式轨道站。在空间站运行期间,航天员的替换和物资设备的补充可由载人飞船和航天飞机运送。1971年,苏联发射了世界上第一个空间站——“礼炮”1号航天站。

  其四是航天飞机。它是可以重复使用的、往返于地球表面和轨道之间运送有效载荷的飞行器。航天飞机通常设计成火箭推进的飞机,返回地面时能像滑翔机或飞机那样下滑和着陆。它的特点是可以多次重复使用,且用途广泛。1984年4月,美国成功发射了世界上第一架航天飞机——“哥伦比亚”号航天飞机。其五是行星间航天器,它包括无人的行星间探测器和载人的行星间宇宙飞船,发射这种航天器都必须让它达到第二宇宙速度,即约每秒11千米。1969年7月,美国的“阿波罗”号宇宙飞船飞临月球上空,并用登陆舱把航天员送上月球,实现了人类首次登月。至于众多的无人行星探测器现已飞临太阳系的各大行星。


  总之,无人航天器和载人航天器的出现,实现了在没有地球大气干扰的情况下,人类对月球与大行星的逼近观测和直接探测,极大地充实和丰富了人类关于太阳系和宇宙的知识。


航天技术的应用 打开探索宇宙之门14 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:28741,112020


  四、关于对太空资源的开发


  资源是人类赖以生存和发展的物质基础。随着航天技术的出现和不断发展,人类越来越清楚地认识到,为了弥补地球自身资源不足,必须重视对太空资源的开发,其中尤其要重视对太空环境资源、太阳能资源和包括月球资源在内的近地天体资源的开发。


  1.对太空环境资源的开发太空环境有两大特点:一是有极其辽阔的空间,二是具有高真空、强辐射和失重等地面实验室难以模拟的物理条件。发射到太空中的人造地球卫星可以从距离地球数万公里的高度观测地球,迅速、大量地收集有关地球的各种信息,并方便地进行全球通讯、全球电视转播和GPS定位。还可以在卫星上进行各种实验,利用空间站发展太空工业,更有效地生产人类所需的各种产品。


  2.对太阳能资源的开发

  太阳每秒带给地球的总热量相当于现今全世界每秒发电量的数万倍。太阳能是地球最重要的资源之一,但其绝大部分能源不能透过地球大气层到达地表。如何最大限度地利用太阳能,是摆在科学家面前的重要课题。目前,一些国家的科学家已开始着手研究建太空发电站的方案。这种太空电站通常是一颗带有太阳能电池翼板的同步人造卫星,所以叫做卫星式太阳能电站。太阳能电池翼板由半导体材料硅片所制成,经太阳照射即可直接产生直流电。那么,应用什么方法将电能从太空传输到的球上来呢?目前认为,最好的办法是利用微波来传输。在地面上相应的有一个用很多整流二极管组成的庞大阵列接收天线,它可将接收到的微波经过整流直接变换成直流电,然后再变换成交流电或直接引入输电网,供用户使用。


  为什么科学家宁肯把主要精力放在研制太空发电站上而不提倡直接去建更容易做到的地面太阳能发电站呢?这是由这两种发电站的不同特点所决定的。在地面上的确也可以建太阳能发电站,而且建造容易,费用低,电能可直接输往用户,但它也有一些难以克服的缺点。首先,由于昼夜的交替和阴晴雨雪等气象不断变化的影响,导致不能连续使用太阳能,而必须发展有效的贮能技术。其次,地面上太阳能的密度比较低,势必需要很大的收集和转变太阳能的装置,造成很大的占地。然而,对处于离地球35600千米的同步轨道上的卫星式太阳能电站来说,由于它总是悬在地球某处上空,不受地球上各种自然条件的影响,且每天只有72分钟时间钻入地球阴影,其余时间都一直受太阳照射,所以它的发电效率要比地面太阳能发电站高得多。此外,由于它是在太空中运行,所以它自身不占地,更安全、更耐用,而且还为宇宙飞船补充能量带来方便,使人类的使者能够飞往更遥远的星球。


  因此,尽管太空太阳能发电站和地面太阳能发电站互有优缺点,但总的比较起来,前者比后者利多弊少,技术上也完全可行。正因为如此,现在卫星式太阳能发电站已成为空间技术研究的重点之一。


  3.对包括月球资源在内的近地天体资源的开发


  月球上有大量富含铁、硅、铝、钾、磷、铀、钍和稀土元素的矿藏,还富含地球上稀有的能源氦3,而氦3正是进行核聚变反应产生核电的理想燃料。此外,在火星和木星之间的轨道上运行着为数众多的小行星,其中不少小行星富含多种极其珍贵的矿产。从人类目前掌握的航天技术及其发展趋势看,开发月球和小行星的矿产是在不久的将来完全可以实现的事情。


  五、对太空环境的保护

  1.太空垃圾的产生

  所谓太空垃圾是指在人类探索宇宙的过程中有意无意地遗弃在宇宙空间的各种残骸和废物,按照火箭科学家专业的说法叫做“轨道碎片”。目前,太空垃圾大约以每年10%的速度增加,而且体积越来越大。它的来源有三:一是工作终止的航天器;二是爆炸的航天器碎片;三是航天员扔出飞船舱外的垃圾。


  2.太空垃圾的危害


  太空垃圾主要的危害:一是撞坏正在工作的航天器;二是对航天员的生命安全造成威胁。因为空间垃圾和航天器之间的相对速度很大,一般为每秒几千米至每秒几十千米,即使空间垃圾是一块不大的碎片,也会危及航天器与航天员的安全。碰撞的危险还会随着未来的卫星或其他航天器的体积的增大而增大。目前卫星一般尺寸在几米,最多十几米,受碰撞的可能性不大。今后大型空间结构例如卫星太阳能发电站,它的太阳电池阵的面积将达到100至200平方千米。在这种情况下,卫星受到空间垃圾碰撞的概率将大大增加。


  3.如何保持太空清洁


  为了保持太空清洁,必须限制太空垃圾的产生并尽可能多地清除已有的太空垃圾。这里重点说一说地球同步轨道上的太空垃圾清除问题。

  在地球赤道上空35800千米的高度上,有一个以地球为中心的大圆圈,是太空中用处最大的区域。凡是在这个圆圈上飞行的人造卫星,环绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相等。从地球上看,卫星好像停留在天空一动不动。所以,这个大圆圈叫做“地球同步轨道”,也称“静止轨道”;在地球同步轨道上的卫星就叫“地球同步卫星”或“静止卫星”。静止卫星居高临下,能一眼看到小半个地球。它最适合用作通信和广播的中继站、气象和环境的监视站、给飞机和船舶引路的导航台以及监视地面发射导弹的瞭望台。因此,静止轨道成了太空中人造卫星最密集的区域。据截至2009年1月21日的统计数据,还留在地球上空运行的人造卫星总共有905颗,其中留在同步轨道上运行的卫星达366颗之多。


  为了保障静止轨道不受污染,保障静止卫星的安全,如何处理报废的火箭和卫星以及其他太空垃圾的问题已引起联合国探索与和平利用外层空间委员会的重视,并组织航天专家进行会商。航天专家们对清除静止轨道上的太空垃圾提出一些对策,其要点如下:


  (1)对运载火箭来说,要适当选择发射轨道,使火箭用完后能在较短的时间内自然陨落;或者让火箭在用完后仍具有一定的机动飞行能力,能远离静止轨道。
  (2)对静止卫星来说,要在卫星进入静止轨道位置之前将卫星上的防尘罩、镜头防护罩等零星抛弃物全部抛掉。静止卫星在寿命结束之前应留有一定的燃料作机动飞行之用,以便退出静止轨道,让出席位。


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