空间技术：自然科学基础中的重要技术

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：空间技术又称为航天技术或宇航技术，它是自20世纪50年代以来得到高速发展的一项高技术。空间技术的兴起和发展使人类的活动领域从陆地、海洋和大气层飞跃到了无垠的太空。航天运载器的功用是把航天飞行器送入预定太空轨道。航天运载器一般由地面发射场以垂直于地面的状态起飞，但也有从飞机上空中水平发射的。宇宙飞船的发射成功，使我国成为世界上第三个掌握载人飞船技术的国家，这也体现了我国空间技术水平。

空间技术又称为航天技术或宇航技术，它是自20世纪50年代以来得到高速发展的一项高技术。它对科技进步、经济繁荣和人类生活都产生了巨大的影响。空间技术的兴起和发展使人类的活动领域从陆地、海洋和大气层飞跃到了无垠的太空。至今，全世界共进行了约4000次成功的发射，将约5200个不同种类的航天器（包括卫星）送入太空轨道，进入太空的航天人员有800多人次。现今全世界有60多个国家和地区从事或参与航天器的研制，200多个国家和地区使用各类人造卫星，航天事业受到世界各国的广泛关注。

（一）太空资源

太空是指海拔100 km以上的空间，那里的大气异常稀薄，飞行器所受的空气阻力几乎为零。太空中几乎没有任何物质，那么太空资源指的是什么呢？那就是无垠的特殊空间，因为那里没有空气，超洁净，微重力，在那里可以进行地面上无法进行的高真空超净实验、失重情况下的实验，即极端条件下的实验，这在材料、药物制备和生命科学等领域具有极大的应用前景。太空极高，可以利用其高度对地球进行全方位观测，可以利用其高度实现全球通信。可以利用它观察天体，接收来自其他天体的电磁辐射信号，因为信号未经大气层的衰减和阻挡，因而比地面上的信号强得多，也丰富得多，这也更有利于人类对宇宙的认识。要开发利用太空资源就必须以航天器进入太空轨道为前提，从这个角度看，发展航天器工程系统（运载系统和任务系统）的技术是关键。

（二）航天运载系统

航天运载系统由航天运载器、航天发射场和运载器飞行测量系统（测控网）组成。

1.航天运载器

航天运载器分为多级火箭和可重复使用的航天飞机两种。航天运载器的功用是把航天飞行器送入预定太空轨道。航天运载器一般由地面发射场以垂直于地面的状态起飞，但也有从飞机上空中水平发射的。

多级火箭式运载器是由有效载荷、箭体系统、推进系统、制导系统、电源系统、安全系统、遥测系统和外弹道测量系统等组成的复杂工程系统。图7-4-1给出了一个运载卫星的航天运载器的组成。由图中不难看出，火箭分为三级。火箭是航天器推进的动力之源，它使用的是固态或液态燃料，利用反冲作用推动航天器前进。多级火箭一般为串联式，按其工作的先后顺序分级。一级火箭发动机点火，系统起飞，一级火箭燃料燃尽熄火即与系统脱离，并使二级火箭点火工作，每一级火箭工作完毕，便即时与系统脱离并点燃下一级火箭，直至最后一级火箭把航天器送至预定轨道。实际使用的多级火箭最多为4级，再多时结构过于复杂。

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图7-4-1　航天运载器组成示意图（引自文祯中，2012）

1.卫星
2.卫星连接器
3.第三级火箭发动机
4.第三级火箭分离绑带
5.旋转平台
6.整流罩
7.制导系统
8.第二级火箭支架
9.第二级火箭动力系统
10.一级间段
11.第一级火箭
12.固体助推器

航天器在太空轨道运行速度非常快，绕地球飞行的航天器（卫星、航天飞机等）的最小速度——第一宇宙速度为7.91 km/s，而逃逸速度（脱离地球引力范围的最小速度）——第二宇宙速度为11.19 km/s。因此，火箭不仅要求燃料高级，而且火箭设计时必须尽量压缩除燃料和航天器之外的质量才能实现发射目的。自苏联于1957年10月发射世界第一颗人造卫星以来，航天运载器至今发展出20多个系列、200多种型号的火箭系统。最小的运载器起飞质量为10.2 t，飞行器（卫星）质量仅有1.54 kg。由此可见，航天器发射的困难程度之大、消耗能量之多，此外，还必须有精确的制导系统和地面监控系统才能使航天器入轨（进入预定运行轨道）。

除火箭运载器之外，另一种运载器是航天飞机，它是可重复使用的航天运载器，它兼具航天器和航空器功能，又称太空运输系统。它是运载火箭技术与航天器技术相结合的产物。其上升段类似多级运载火箭，轨道段类似航天器，着陆段类似飞机的飞行。

（三）航天器

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图7-4-2　航天器的分类（引自文祯中，2012）

航天器的分类如图7-4-2所示。图中给出的分类中，人造卫星数量最多，它可以进一步分类，其中科学卫星用于探测研究太空环境和进行开发利用太空资源的实验。它包括天文卫星、空间环境探测卫星和科学实验卫星等。技术试验卫星用于在太空轨道上进行航天新技术实验；应用卫星最多，主要有通信卫星、观测卫星和导航定位卫星三类。

太空实验室和空间站都是供航天员巡访的载人航天器，不过实验室规模小，寿命较短，技术也较简单，而空间站更高级，可供航天员长期居住和工作，并具有一定的生产和实验条件。大型空间站是分批送入太空，然后对接组合而成的。

航天器的轨道一般近似为开普勒椭圆轨道（有偏离），但随着运行时间的增长，偏离程度增加。这是因为太空中不只有一个地球，还有其他星球引力的影响，此外地球也绝非一个绝对的球体，因此它对卫星的万有引力也不能当作一个质点简单看待，这就造成了卫星轨道的偏离。不过卫星也有一些特殊轨道：极地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道、复现轨道、地球静止轨道，圆形轨道是卫星常用的具有特点的轨道。其中最特殊的轨道为地球静止轨道，地球静止轨道在赤道平面上，形状为圆形，与地球自转角速度相同，在地球上看如同静止一样。

（四）中国的空间事业

中国于1958年开始人造卫星的研究，1970年4月24日发射第一颗人造卫星——东方红1号。现已发射卫星100多颗，成功率在80%以上，返回成功率在94%以上。宇宙飞船的发射成功，使我国成为世界上第三个掌握载人飞船技术的国家，这也体现了我国空间技术水平。截至2008年9月，我国已进行了三次载人航天飞行和多项空间科学研究。2007年10月和2010年10月，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”探月卫星成功发射，2011年11月，“神舟”八号飞船与目标飞行器“天宫”一号实现空中交会的完美对接，标志着我国航天技术和太空探索进入了新的历史阶段。

空间技术：自然科学基础中的重要技术

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