1、大綱：一、航天技術的發展二、火箭技術與動量、機械能守恒1. 火箭推進原理2. 多級火箭三、人造衛星技術 1 .人造衛星的運行軌道 2.人造衛星與通信技術 四、載人航天技術1 .載人航天工程七大系統2 .載人航天器的種類及其特點3 .航天飛機的構成、運行過程五、登月技術與火星探測1 .登月技術2 .火星探測 六、中國航天史航天與物理學“火箭之父”俄國科學家齊奧爾科夫斯基說過“地球是人類的搖籃。人類絕不會永遠躺在這個搖籃里，而會不斷探索新的天體 和空間。人類首先將小心翼翼地穿過大氣層，然后再去征服太陽系空間”。開發宇宙，是人類長期以來的夢想，隨著科學技術地不斷發 展，高新技術不斷地涌現，20世紀5

2、0年代開始興起的航天技術使人類飛向宇宙的夢想得以實現。航天，是相對于航空而言，它是指人類沖出大氣層克服地球引力在太陽系內進行的行星際航行及其有 關的活動。用于航天的人造 天體稱“航天器”有火箭、人造衛星、載人飛船、航天站、航天飛機及行星際探測器等航天器的運行軌道以地球為中心的稱近 地”，以月球為中心的稱近月“，以太陽為中心的稱近日“，當然也可以環繞其它行星運行。一、航天技術的發展人類很早就有了航天的思想，我國古代流傳的“嫦娥奔月”、吳剛砍桂”等傳說故事，就是對人類航天理想的生動描繪之一。 當然，人類真正實現這種理想是到19世紀末才開始起步的從那時起，相繼涌現出俄國的齊奧爾科夫斯基，美國的戈達德

3、和德國的奧 伯特等富于探索精神的航天先驅者。俄國的奧爾科 夫斯基最早從理論上證明用多級火箭可克服地球的引力而進入太空，建立了表征多級 火箭理想速度的著名的齊奧爾科夫斯基公式。而且他肯定了液體發動機是航天飛行器最適宜的動力裝置。美國的戈達德是液體火箭的創 始人。他曾指出，要克服地球引力，火箭必須具有每秒79公里的速度。他在1921年開始研制液體火箭發動機，1926年3月16 日，他研制的液體火箭飛行成功。德國的奧伯特也是最早的火箭和航天的理論家和實踐者。1923年奧伯特論述了火箭K行的數學理 論，并對火箭結構和星際飛行提出了許多新觀念。到了 1942年10月3日，德國太空協會的青年專家布勞恩領導

4、的航天研究小組， 經過艱苦的探索，在總結歷次失敗教訓的基礎上，終于發明了再生冷卻式燃燒室和燃氣舵等新技術。采用這些新技術，終于獲得彈 道導 彈（V 2）的發射成功。從而在工程上實現了航天先驅者的技術思想，取得向地球引力挑戰的勝利，并對后來大型火箭的發展起到了 繼往開來的重大作用。堪稱是人類航天發展史上的一個里程碑。第二次世界大戰后，前蘇聯和美、法、日、加拿大、澳大利亞等國家，都先后發射了探空火箭，創造出發射393公里高度的紀 錄，獲得了許多高層空間的寶貴資料，為發展航天奠定了科學基礎。經過10多年的艱苦探索之后，于1957年10月4日，前蘇聯 把世界上第一顆人造地球衛星送入大氣層外的運行軌道，

5、開創了人類航天史的新紀元。以后，美、英、法、日和中國、印度等國均成功 地發射了人造衛星。自60年代中期開始，衛星的發展便從探索試驗轉入實用階段。如今，人類發射的偵察、預警、通信導航、天文氣象、海洋監視、測地探礦等應用衛星巳超過2500顆。它們在經濟、軍事和科研中發揮了非常大的作用.隨著航天技術的發展，人類不斷刷新航天紀錄-創造出一個個驚人的奇跡。諸如：1961年4月12日開辟了載人航天的成功之路；從1959年開始又開創了對月球的探測和人類登月考察的新篇章；自70年代起，人類對太陽系中的行星先后進行了探測，前蘇聯和美國并相繼在空間建立了航天站；80年代初又發明了能重復使用的航天飛機等等。這些令人

6、鼓舞的成就，對航天技術及其它科學領域的發展都具有深遠的歷史意義。 二、火箭技術與動量、機械能守恒1 .火箭推進原理所有航天器的發射都依靠火箭技術，而火箭的飛行是遵循著質點系動量定理和動量守恒的。豎立在發射架上的火箭本身帶有燃料和 氧化劑，火箭在發射前總動量為零，當點火燃燒后，高溫高壓的氣體不斷從火箭尾部的噴管往后噴出，從而使火箭獲得向上的巨大推 力，克服自身的重力，向太空沖去。下面我們看一下火箭所受的推力大小和火箭的運動速度。(1) 火箭推力大小運載火箭的推力是火箭設計中的一個重要指標。當燃氣從大氣尾部噴出時，將產生的一個推力使火箭升空，這個推力可近似由下 面的方法計算。將總系統分為火箭和噴出

7、氣體兩個子系統，假設總系統在t時刻向上運動的速度為v，在dt時間內噴出運動速率恒為u的燃氣，質量dm。則可以計算燃氣在dt時間內的動量變化：t時刻：燃氣對地速度為v ,動量為vdm2, t + dt時 刻：燃氣對地速度為(v+ dv- U),動量為(v+ dv - u)dm2，所以動量的變化為dvdm2- udma，如果略去兩級小量dvdm2，可得 燃氣的動量變化為一udm2。按動量定理，燃氣受到的箭體的推力為：F =7竺,它的反作用力就是火箭受到的燃氣的推力： dt- dm2(1)F二 u u=dt結果表明火箭推力正比與噴氣速度u和噴氣質量流量匹。例如運載阿波羅等月飛船的火箭，它的 dt25

8、00m/s ,= 1.4X 104kg/s，代入公式可得：F 二 3.5X 107N。dt(2) 火箭的速度火箭是依靠連續不斷的噴出大量質量m極小的燃料氣體才得到連續平穩的加速上行。為了進一步說明火箭在這一過程中獲得的速度，先不考慮地球的重力作用，將質量為M的火箭中的燃料燃燒后噴出的燃料 氣體看成質量為m (遠小于 M)、相對火箭速度為u的細小彈丸，由于火箭不受任何外力，因此火箭系統總動量守恒，當彈丸以速度u向后噴出，火箭就獲得與彈 丸等量而方向向前的動量，由于燃料不斷燃燒，火箭體的質量就不斷減小，因而火箭是一個變質量體系，我們用動量守恒來計算火箭最后得到的速度。首先看一下火箭和燃料的質量關系

9、，在t= 0的時刻火箭的總質量M，在t時刻火箭的質量為M;到t時刻為止已噴出的燃料氣體質量為m (t)。因為在這過程中，系統的質量是守恒的，我們可以得到：M (t) + m (t)= M微分后：dM + dm = 0或者dM = dm即在dt時間內噴出氣體的質量dm等于火箭質量減小的質量dM(dMO，則e1,軌道為雙曲線;若Eo=o ,則e=1,軌道為拋物線；若eovO，則e1，軌道一般為橢圓（當e=0時，軌道為圓形）。根據以上r、p、e、e等之間的關系，就可以對衛星的運行軌道進行控制。衛星的運行軌 道一般由主動飛行段和自由飛行段組成，主動飛行段通常是衛星變軌發動機的點火工作段，變軌 發動機熄

10、滅后進入目標軌道呈自由匕行狀態，成為自由飛行段，變軌控制是使衛星從一個自由飛圖1衛星軌道行段的軌道轉移到另一個自由飛行段的軌道。變軌前后的兩個軌道可以在同一個平面內，也可以在不同平面內。例如，改變P可引起軌道形狀的變化，改變偏心率e可引起軌道性質（如圓、橢圓，拋物線，雙曲線軌道）的變化。在任一位置P處，改變r、v之間的夾角，可以使衛星從一個軌道轉到另一個軌道。一般向目標軌道發射衛星可以有以下三種情況：（1） 一種是在ro處關機，經過慣性段，然后進入目標軌道（圖 2）。（2） 種是在目標軌道某點處直接進入（圖3）（3） 一種是先進入一個停泊軌道，然后由停泊軌道ro轉移到目標軌道（圖4 ）。衛星正

11、常運行時，要靠停泊軌道控制系統保證衛星的軌道運行，以完成預期的飛行任4”圖2目標軌道圖3目標軌道直接進入圖4軌道轉移務。2.人造衛星與通信技術1957年10月4日，前蘇聯在哈薩克共和國中部的拜科努爾航天中心成功地發射了世界上第一顆人造地球衛星一一人造衛星1號。這顆衛星雖然很小，直徑只有58厘米，重僅83. 6千克，內部結構也很簡單，只裝有一臺雙頻率的小型發報機、溫度汁以及電池等，但它卻具有重大的歷史意義，表明人類有能力把重物推上天空，使它繞地球旋轉，宣告了航天時代的到來。1958年1月31日，美國也把它的第一顆人造衛星一一探險者1號送入軌道，盡管這顆衛星更輕，僅重& 22千克，但它首次發現了地

12、球周圍空間存在著大量被地球磁場俘獲的帶電粒子區域一一地球輻射帶。這是航天技術最初取得的重大科學成果。1970年4月24日，我國也成功地發射了第一顆人造地球衛星一一 “東方紅一號之后第五個發射衛星的國家。“東方紅一號”這顆科學實驗衛星設備齊全，總重量為173千克，比前四個國家發射的第一顆衛星的重量之和還多33千 克，并首創在衛星上向宇宙播放“東方紅”樂曲的先例。1975年11月26日.我國又成 功發射了返回型遙感衛星，并經三天正常運行后，按預定計劃順利返回，成為世界上第三個掌握此項技術的國家。此后，我國又掌握了一箭多星技術，于1981年9月20日，首次用一枚 運載火箭把三顆衛星送入各自軌道。在1

13、984年和1988 年，我國還分別成功地發射了首枚地球同步衛星和首枚太 陽同步衛星。1990年4月7日，用長征三號運載火箭把亞洲I號通信 衛星成功地送入預定軌道，入軌精度達到國際先進水平。 1997年5月20日，用，成為繼前蘇聯、美、法、日圖5幾種不同類型的衛“長征三號甲”運載火箭將“東方紅三號”同步通信衛星送入預定軌道；年6月10日，用“長征三號”運載火箭將“風云二號”同步氣.象衛星送入軌道。并定點在東經105 0赤道上空。19971999年5月10日，在太原衛星發射中心用“長征四號乙”運載火箭將“風云一號（C星）”氣象衛星和“實踐五號”科學實驗衛星兩顆太陽同步衛星同時送入軌道，軌道高度為8

14、70千米。圖5為我國發射的幾種不同類型的衛星。目前歐洲最先進的重型火箭一一 “阿麗亞娜5型”能將6噸的有效負荷送入高空軌道。美國的“大力神4B ”的起飛推力達到15127千牛頓，也能將近6噸的載荷送入地球同步軌道。迄今全球已發射了約4 000顆各類衛星、轉發器和航天器，它們在通信廣播、對地觀察、導航定位、科學研究以及氣象等領域得到廣 泛的應用。 在人造衛星的大家族里，成熟最早、應用最廣的要算是通信衛星了。它向你通報世界各地的最新信息，給你帶來五彩繽紛的電視節目，讓你欣賞文藝表演和體育比賽，讓你獲得知識增長才干。可在半個世紀以 前，這一切都還只是一個美好的幻想。這是因 為用來傳輸電視的是一種波長

15、很短的無線電波，叫微波，它只能像光線一樣沿直線傳括。由于地面是彎曲的，所以微波傳播不遠，就會 離開地面，進入太空。過去用 微波傳送電視，地面上要每隔一段路程建立一個中繼站，像接力賽跑一樣，把電視信號一站會一站地送向 遠方。一個50米高的微波中繼站，有效傳播距離只有50千米左右，例如，從北京到拉薩，有2600多千米，如果依靠微波接力站 傳送電視信號，沿途需要建立50多個微波中繼站。因此，為了把電視信號傳送到遙遠的邊疆、山區和海島，就必須建立像蜘蛛網似 的密布全國的中繼線路，需要投入很大的人力和物力。如果遇到大海，海面上是無法建立微波接力站，電視信號也就無法飄洋過海。所 以，半個世紀以前，海洋這邊

16、的人要想看到海洋那邊的電視，是根本不可能的。俗話說“站得高，看得遠”。如果能夠把微波中繼站建在離地面很高的地方，那么，微波就可以傳遞得很遠。1945年，英國 科學作家克拉克發表了一篇論文，名叫地外中繼站 在這篇文章中，克拉克設想，如果在赤道上空3.58X 104km高度的圓形軌道上，有這么一個微波中繼站，它就可以在相隔1.8X 104km的兩地之間傳輸信息，可以把微波傳遞到大約40舶勺地球表面。這樣，只要在地球赤道上空的軌道上均勻分布地建立三個中站，就再也不必擔心山高路遠、大海阻攔，全地球除兩極地區以外的地方，都可以收 到對方播發的電視節目，還可以進行相互通話。人們要問，怎樣才能在離地 球3.

17、58 x 104km的高度上建立起這樣的微波中繼站呢？克 拉克說，這可以利用人造衛星，將衛星發射到赤道上空3.58X 104km高的軌道上，并且讓它按照和地球自轉速度相同的速度在軌道上 運行，這樣，它就會 總是懸在地球上空的某一個地方，看上去就好像它始終沒有移動，而是“靜止”在那里。因此，人們把這種衛星叫 做“靜止衛星”或稱“同步衛星”。但是，當克拉克發表他的設想的時候，運載火箭還沒有誕生，人造衛星還沒有出世，許多技術問題 都還沒有解決，在這種情況下要來探討用“靜止衛星”進行全球通信 的問題，實在是不切合實際的。因此，有人認為他的這一設想只不 過是一個科學幻想。但是，1957年第一顆人造衛星上

18、天以后，僅僅經過6年時間，1963年美國就發射成功名叫“晨鳥”的第一顆靜止衛星，在巴西、尼日利亞和美國之間 進行了電話和電視轉括，實現了克拉克的預言。通信衛星大都分布在大西洋、印度洋和太平洋上空的地球靜止軌道上。目前，世界上洲際間的電話、電報、傳真和電視轉播等通 信業務，巳經大部分由通信衛星來承擔。通信衛星的通信容量大，可靠性高，傳輸距離遠，不受地理環境的影響等，優點很多，所以倍 受各國的重視和歡迎。通信衛星為人類的通信活動提供了日新月異的手段。今天，隨著互聯網的發展，通信衛星巳不再是簡 單的通信中繼站，而成為在 太空進行大量信息處理和信息交換的中心，成為信息高速公路的“太空樞紐”人們可以利用

19、通信衛星在家里直接撥通國際長途電話，無論走到哪里，打開電腦上網，通過衛星就可以同萬里之外的親友交談，與客戶 聯系業務，坐在家中就可以參加電話會議和指導外科手術，可以通過通信衛 星向外國的圖書資料中心查閱資料、索取數據。總之，在21世紀，通信衛星將發揮越來越重要的作用。四、載人航天技術1 .載人航天工程七大系統(1)航天員系統載人航天首先要有航天員及其上天飛行的保障設施。這是一個航天員為中心的醫學和工程相結合的復雜系統。它 涉及航天生命科學和航天醫學等領域，包括航天員的選拔訓練、航天員的醫學監督保障、航天員的一樣食品、航天員飛行訓練模擬等 分系統。(2)載人飛船系統飛船是載人航天的核心部分，它為

20、航天員和有效載荷提供必要的生活和工作條件，保證航天員進行 有效空間實驗和出艙活動，并安全返還地面。(3)運載火箭系統運載火箭是把載人飛船安全可靠送入預定軌道的運載工具。包括箭體結構、動力裝置等10個分系統，特別是增加了載人所 需的故障監測分系統和逃逸救生分系統。(4)飛船應用系統載人航天工程最終是為了應用，創造效益，因此飛船應用系統是備受關注的部分。它利用載人飛船 的空間試驗支持能力，開展對地觀測、環境監測、生命科學、材料科學、流體科學等試驗，安裝有多項 任務上百種有效載荷應用設備。(5)測控通訊系統當運載火箭發射和載人飛船上天飛行以及返回時，需要靠測控系統通信系統保持天地之間的經常聯系，完成

21、飛船遙測參數和電視圖像的接受處理，對匕船運行和軌道艙留軌工作的測控管理，這個測控通信系統由北京航天指揮控制中心、陸上地面測控站和海上遠 望號遠洋航天測量船隊組成、執行飛船軌道測量、遙控、遙測、火箭安全控制，航天員逃逸控制等任務。(6)發射場系統神舟號K船的發射場選在酒泉衛星發射中心，發射場系統由技術區、發射區、試驗指揮區、首區測量和航天員區組成，形成火 箭、飛船、航天員從測試到發射以及上升段、返回段測量的一套完整體系。(7)著陸場系統載人航天這路著陸場系統包括主、副著陸場，陸上應急援救、海上應急援救、通信測量、航天員醫保等部 分。2 .載人航天器的種類及其特點載人航天是指人類駕駛和乘坐載人航天

22、器在太空從事各種探測、試驗、研究、軍事和生產的往返飛行活動，其目的在于突破地球 大氣的屏障和克服地球引力，把人類的活動范圍從陸地、海洋和大氣層擴展 到太空，更廣泛和深入地認識地球及其周困的環境，更好地 認知整個宇宙；充分利用太空和載人航天器的特殊環境從事各種試驗和研究活動，開發太空及其豐富的資源。根據飛行和工作方式的不同，載人航天器可分為載人飛船、空間站和航天飛機三類。(1)載人七船獨立往返于地面和空間站之間，如同人類溝通太空的渡船，它能夠與空間站或者是與其他航天器對接后進行聯合飛行。 但是，飛船容積小，所載消耗性物資有限，不具備再補給的能力，所以它的太空運行時間有限，僅能夠使用一次。(2)與

23、載人飛船相比，空間站容積大、載人多、壽命長，可綜合利用，是發展航天技術、開發利用宇宙空間的基礎設施。在它上面 可對衛星進行修復，也可利用軌道轉移匕行器在空間站和其他航天器往返運送物資或航天員，甚至可以在空間站上組裝并發射航天器。前 蘇聯于1971年4月19日發射了世界上第一個空間站“禮炮”1號；美國于1973年5月14日用“土星” 5號改進型運載火箭將“天空實驗室”送入軌道。(3)航天飛機是一種多用途航天器，它能滿足發射、修理和回收衛星以及運送人員、物資等需要，可多次重復使用，顯著降低了運載成本，它的出現是航天技術發展的一次飛躍，代表了載人航天器的發展方向。3 .航天飛機的組成、運行過程圖2圖

24、6航天飛機的組成(1)航天飛機的組成圖熱淵褪攢栽，疝髓翟臉媼朧附6：:翻婁露助推器(2個)、 外置燃料箱、軌道器。固體火箭助推器：在升空初期提供推力。長度46 m。，直徑3. 7 m,質量590t。推力11 700 kN，在升空中占總推力的71 %。在使用后分離出去，依靠降落傘減長度48 m，直徑& 4 m，總容積2槍6 L,可容納燃料719t。速，降落在海上，可以回收再用。外置燃料箱：儲存主發動機所需的燃料。箱內分隔成兩部分：前儲箱容納液體氧.，后儲箱容納液體氫。采用渦輪泵式輸送系統。在使用后被拋棄，最后在大氣中燒毀。軌道器：航天飛機的主體。外形像飛機(圖7)o在固體火箭圖7航天飛機的軌道器

25、助推器和外置燃料箱分離出去以后，航天飛機就是軌道器。所以往往也把軌道器叫做航天飛 機。它主要由以下幾部分組成。1)機身。分為前機身、中機身和后機身三段。2)機翼、垂直尾翼、舵面。33)航天員艙。位于前機身，容積為 74m，可容納至多8名航天員。4)主發動機。是液體火箭發動機，共3臺。位于后機身，安裝在球形接頭上，可調節推力方向，控制飛行。每臺發動機長4. 3m，直徑2. 3 m,質量3 040 kg。燃料是液體氧和液體氫。燃燒產物水蒸氣以2780m / S的速度排 出。每臺發動機的推力是kN。為航天飛機升空提供29 %的推力。在固體助推器分離后，主發動機繼續工作,直到把軌道器送入軌道，隨后外置

26、燃料箱就脫離。5)軌道機動系統2個。在軌道器的后段，尾翼的兩側。該系統使軌道器精確進入軌道，進行軌道機動以及在最后使軌道器減速而 脫離軌道。它們也是液體火箭發動機，利用氮氣將燃燒劑和氧化劑從各自的 儲箱擠壓到燃燒室，一接觸就自動燃燒。每個軌道機動系統可產生推力26400 N。可以起動和關機1000次，總工作時間可達15小時。6)反作用控制組件。在前機身和后機身各有一個，互相配合工作，實現軌道器姿態控制或軌道微調。由38個固定噴嘴和6個游動噴嘴組成。可控制軌道器移動以及滾轉、俯仰和偏航轉動。7）絕熱瓦。由于航天飛機（軌道器）返回過程中，以極快的速度（7.9km/s ）進入濃密的大氣層時，與空氣激

27、烈摩擦要產生大量的熱（即所謂的“氣動加熱”），且在距離地面60km左右,溫度變得最高，機頭溫度可高達到1000 30000C,整個機身變成一個熾熱耀眼的火球，與地面的無線電通訊都會暫時中斷（稱為“黑障現象”）。而航天飛機上有宇航員和珍貴儀器資料，要保證他們經過烈火高溫的洗禮后順利返回地面，它的表面必須覆蓋陶 瓷絕熱材料層，俗稱絕熱瓦。這種絕熱瓦主要由耐高溫的碳化物、氮化物、氧化 物材料經過現代特殊工藝加工制成，稱新型復合高溫陶 瓷瓦，它由兩部分構成，外層包覆的是高輻射陶瓷 材料，內部是導熱系數非常低的耐高溫陶瓷纖維。航天飛機的這種絕熱瓦“外衣”（又叫“避火衣”）有31000塊陶瓷瓦片，每塊長1

28、520cm、厚059cm，每片價格20003000美元。使用時將它們拼接起 來，仿佛中國古代的“金縷玉衣” 一般，非常合身。這樣做法有兩個好處：一是每個陶瓷片之間都留有微小空隙，可以防上受熱變形互 相擠壓而損壞：二是如果個別陶妾片毀壞,修理起來方便。航天K機的機頭和機翼的前緣，溫度最高,必須重點保護，通常使用最厚的“陶 瓷瓦片”。當航天飛機返回地球通過大氣層與空氣劇烈摩擦產生大量的熱時,絕熱瓦遇到高溫時會自己先燃燒起 來，其中大量的有機物會發生 化學分解和氣化,帶走大量的熱量,并在燃燒自己的同時，還形成了一層厚 厚的多孔炭化層,緊緊地附著在軌道器的外壁,這一層炭化層具有 極好的隔熱效能,在它嚴

29、密的包要下，能有效地防止外界熱量傳入艙內。它的雙重奇妙功能，使軌道器中的溫度可以保持正常，一般在35oC 以下，十分安全。經科學家研究表明，“避火衣”是保證軌道器安全返回地面的關鍵設施之一。而且，如果減輕“避火衣”的一些重量，對發射火 箭推力的要求就可以降低很多，從而可以大大降低 宇航工程的成本。根據科學家計算,宇航飛行器的“避火衣”重量減輕1千克,可以使 推動火箭減少500千克；如果“避火衣”能減輕15%、那么可以使宇航器的飛行距離與上升速度各增加10% !（2）航天飛機的運行過程航天飛機一次飛行任務的時間是714天，必要時可以延長。典型的飛行任務分為三個主要階段。第一階段：發射和入軌。1

30、）在發射臺上預先點燃主發動機（液體火箭發動機）。當點燃固體火箭助推器時，總推力才超過重力，此時航天飛機離開發射臺 上升。2）升空20秒，航天飛機轉身，達到滾轉角180。，俯仰角78。3）升空2分，固體火箭分離出去（此時高度45km），打開降落傘，降落在海上，將回收再用。4）升空8.5分，主發動機關機。5）升空9分，外置燃料箱被拋棄（將在再入大氣層過程中燒毀）。從此以后,航天飛機就是軌道器。6）升空10. 5分,軌道機動發動機開動，使航天飛機進入低軌道。7）升空45分，軌道機動發動機再次開動，使航天飛機進入較高的圓軌道。第二階段：在軌道上執行任務階段。航天飛機的典型軌道參數是：軌道高度35065

31、0km，軌道傾角（即軌道平面與地球赤道平面之間的角）39。516 一。航天飛機可執行的任務包括：進行科學實驗、對地球和天體觀測、向太空站運送人員和物資、釋放衛星、回收失效的衛星，修理其他航大器（例如Hubble哈勃太空望遠鏡）等。在執行這些任務時要進行許多次軌道機動和姿態機動。在正常況下航大飛機的姿態是：機頭向前，艙頂在下（近 地球）。第三階段：返回和著陸。在完成任務后航天飛機返回和著陸是十分復雜的過程（見圖8 ）。1 ）在離著陸場大約半圈軌道距離時，地面控制中心發出返回指令。2）把飛機的姿態轉成尾部向前，并開動軌道機動發動機，使航天飛機減速，從而離開運行軌道，進 入返回軌道（這個動作叫做離

32、軌）。3 ）經過大約25分，航天飛機到達大氣上層。再次改變姿態，使得頭部向前，且具有40。俯仰角。圖8航天飛機返回和著陸4）在大氣中航天飛機能像飛機滑翔機那樣（沒有動力）飛行，由機載計算機控制飛行。5）當航天飛機距離著陸場225 km （高度45. 7km。）時，捕獲到無線電信標，以后就由機長控制飛行，他要把航天飛機 保持在一個直徑為5. 5 km的虛擬管道內，因而能對準跑道。6）在放下起落架后不久，航天飛機就觸地，除機輪剎車外，還利用垂直尾翼上的減速板和從尾部張開的減速傘，促使航天飛機停 止。這樣整個飛行任務就完成了。目前，天地往返載人航天器有兩個基本的類型：美國的航天飛機是一類，俄羅斯的S

33、oyuz （聯盟號）飛船是另一類。航天飛機的優點，第一是可部分重復使用。除外置燃料箱被拋棄和燒毀外，固體火箭助推器殼體可以 回收再用，軌道器則返回地面，經過修理后可以重復使用，預計可以飛行100次。這樣就可以降低載人飛行的成本。但事實上航天K機每次飛行后的維護和修理費用很高，所以經濟性并不像原來預期的那樣好。 第二是承載能力大，可乘坐8名航天員，還能運送大量物資。而Soyuz飛船只能乘坐3名航大員。第三是具有強大的軌道機動能力，能執行許多功能任務。航天飛機的缺點是構造太復雜，飛行過程也太復雜。這不僅造成研制費用的極其高 昂，而且也引起可靠性的降低。 五、登月技術與火星探測1 .登月技術月球是距

34、離地球最近的一個天體。月球環境具有引力小、真空、無菌、磁場小、溫差大、晝夜交替周 期長、在地球視線內等特 點。月球地質條件特殊，具備地球原材料資源。整個月球猶如一個巨大的穩定平臺，適合于開展科學研究和天文觀測。以上特殊的環境 和條件，使得建造月球基地變得很有吸引力。月球基地有可能成為人類在地球外星體上建立的第一個活動場所。1969年，也就是在人類第一次發射人造地球衛星之后僅12年和人類第一次飛往宇宙空間之后僅8年，人類有史以來首次成功地登上月球表面。首次飛向月球并登上月球的人是美國宇航員。先后登上月球的共有12名宇航員，其中最先登 上月球的是N 阿姆斯特朗和E 奧爾德林。他們兩人乘坐由宇宙飛船

35、主要部分（返回地球的宇航員駕駛艙和發動機艙）和登月艙 （著陸和起飛級）組成的“阿波羅一11號”在1969年7月16日成功地登上月球。“阿波羅一 11號”飛船指令長是N 阿姆斯特朗，E 奧爾德林是登月艙領航員，而第三名飛船成員 M柯林斯是飛船生要部分領航員。 “阿波羅一 11號”宇宙飛船用大功率火箭“土星一5號”（屬美國二級和三級運載火箭系列，有40層摟房高）送入近地軌道，起航76小時之后離開近地軌道，成為一顆人造月球衛星，然后才開始獨自飛往月球。實際上正是這樣分步而不是直接的登月方法才完成了史無前例的登月星際飛行。整個飛船并沒有在月球上著陸，著陸的只是登月艙，走出登月艙的是阿姆斯特朗和奧爾德林

36、，而柯林 斯仍留守在登月艙里。當登 月艙剛從飛船主要部分對接處分離時，著陸便開始進行。此后登月艙需要轉入更低軌道，選擇著陸地點并開始降落。阿姆斯特朗負責登 月艙 手動控制，并順利地將登月艙著落在名為死海的一個環形山中。月球表面上所謂的“海”，實際上是寬廣平坦的低洼地。指令長阿姆斯特朗小心翼翼地用腳觸了觸月球表面之后才邁出了第一步。這時他情不自禁地說：“對人來說這是一小步，而對整個人類而言，這又是何等巨大的飛躍”。過了一段時間，領航員奧爾德林與阿姆斯特朗相會合。阿姆斯特朗很快學去了地球人不習慣的移動方式 跳躍。他們時而用一只腳著地跳躍，時而又同時用兩只腳著地象袋鼠一樣跳躍。宇航員們在月球上邊 跳

37、躍，邊收集月球土壤樣品， 并在月球表面上安裝各種測量儀器，如安裝研究來自太陽的帶電污染粒子流 的儀器、月球地震儀和激光反射鏡一一準確測量地球與月球 表面兩點之間的距離。阿姆斯特朗在月球上的宇宙飛船外面共逗留了2個半小時，奧爾德林逗留時間比他少20分鐘。1969年7月2日宇航員們安全返回地球。此后又多次去月球考察，其中最成功的是“阿波羅一 12號”、“阿波羅一 14號”、“阿波羅一 15號”、“阿波羅一 16 號，、，阿波羅一 17號”宇宙飛船的登月飛行。“阿波羅一 13號”飛船由于中途發生故障，只能圍繞月球飛行后返回地球。先后登 上月球的12名宇航員中有6名考察隊成員。最后一批考察的宇航員在月

38、球上親自開動四輪月球車，沿月球表面作很長路程的考察旅行。當宇航員沿灰色塵埃月球表面徒步行走或乘坐月 球車考察旅行時，地球人在自己周圍看到的只是一片 死氣沉沉的寂靜世界：沒有 圖9 美國宇航員登月時的照片 任何生命、空氣、水、聲音、云、雨、極光，隕石。但是，他們真的找到了一個“調查者號” 一一美國為研究月球而發射的宇宙飛行器系列。“調查者號”在地 球上的重量約1噸，在月球上著落后重約285千克。在19661968年期間，美國先后向月球發射了 7個“調查者號”。圖9為 美國宇航員登月時的照片。登月式飛船與衛星式飛船最大的不同就是增設了登月艙。其座艙分前艙、航天員艙和后艙3部分，前艙放置著陸部件、回

39、收設備、姿控發動機等；航天員艙為密封艙，存有供航天員生活14天的必需品和救生設備：后艙裝有各種儀器、 貯箱、計算機和無線電系 統等。E:地心M :月亮L :發射場To :停泊軌道入軌點：地月轉移軌道入軌點f。：滑行角距fi :飛行角距圖10登月飛行平面圖圖11登月飛行立體示意圖登月方法采用停泊軌道中轉。登月飛行器首先進入一 個繞地心運動的圓停泊軌道，然后從停泊軌道上的某點第二 次點火，進入地月轉移軌道，采取停泊軌道中轉比直接從地 面發射登月有以下 優點：在停泊軌道上可最后測試K行 器的各項性能，如控制、通訊等，以減小飛行的風險；為 進入地月轉移軌道而加速時，可充分利用停泊軌道的軌道速度；停泊軌

40、道的軌道傾角可由地面發射站預先指定，而其軌道升交點經度 與入軌歷元密切相關。由于地球的自轉運動，可以證明在每24小時內有兩次機會使停泊軌道的軌道面經過選定著月時刻的月心。登月號 行的整個過程如圖1。、圖11所示。當然有關登月飛行軌道設計、著陸技術等問題是十分復雜的，這里就不詳細介紹了。自上世紀70年代初美國結束阿波羅登月計劃后，人類登月活動一度停止。近10年來，重返月球的呼聲增高，月球計劃成為許多國家航天發展的重要目標。預計在未來的20年內，人類將重返月球。人類可以利用空間航天基地，進行地月軌道運輸船的組裝維護，最終建成月球基地。2 .火星探測火星在太陽系中其自然環境最接近地球，被認為是最適合

41、人類移民的星球，數十年來人們對火星始終寄予著最大的熱情與最豐富 的想象。但要揭開火星的真實面目，只有通過火星探測。火星探測是用火星探 測器對火星進行近旁觀測、環繞觀測和實地考察的活動。 它自1962年開始進行，并在20世紀內取得了令人矚目的成就。2003年6-7月，歐洲和美國的3個火星探測器相繼發射升空，揭開了21世紀航天火星探測的序幕。為科學界熱衷的載人火星飛行也有可能在21世紀前期首次進行。2（1）人類探測火星的成就1962年11月，蘇聯發射了世界上的第一個火星探測器。自那時起，至1999年1月，全世界只有蘇聯、美國和日本發射了用于探測火星的航天器。20世紀航天火星探測可分為2個時期。第一

42、個時期（1962-1975）,蘇聯發射了 7個。火星”號探測器和1個探測火星的“探測器”號行星探測器，美國發射了6個探測火星的“水手”號行星探測器和2個“海盜”號火星探測器。其中，1971年5月底發射11月中旬到達火星的“水鄉9號探測器，成為第一顆人造火星衛星；1971年5月底發射、12月初在火星軟著陸（指其著陸艙，下同）的“火星”3號探測器首次實現了在火星上的軟著陸；1975年8月中旬、9月上旬分別發射的“海盜” 1號和2號探測器相繼于1976年7月中旬、9月上旬在火星上軟著陸后，用土樣挖掘機和氣象感測器進行了為期90天的探索火星上有無生命存在跡象和研究火星大氣等活動。第二個時期（1 988

43、-1999），蘇聯于1988年發射了 2個“火衛一”號探測器（火衛一是火星的2個衛星中離火星較近的1顆衛星，與火星的平均距離約9400 km。周期7小時30分鐘），其中1號因故障而失敗，2號進入繞火星飛行的軌道對火星進行探測后又轉入對火衛一進行觀察的軌道拍攝了該衛星的圖像；美國于1996 - 1999年相繼發射了 “火星全球探測器”、“火星探路者”號探測器和“火星氣候探測器”、“火星極地登陸器”共4個火星探測器，其中1996年11月發射（1997年9月到達火星）的“火星全球探測器”成為火星的衛星，對火星大氣層和火星地 貌進行了長期探測，1996年12月發射（1997年7月到達火星）的“火星探路

44、者”號探測器用微型火星車（質量16kg ）對著陸點進行了 1個月的實地考察并發回了許多幅火星地表景觀照片，分別于1998年12月和 1999年1月升空的“火星氣候探測器”和“火星極地登陸器”在到達火星后均與地面失去了聯系。日本于1998年7月發射的“行 星B”號探測器飛行途中出現故障，經挽救有望于明年到達火星周圍空間。圖12為“火星探路者”登陸火星模擬圖。圖12 “火星探路者”登陸火星模擬圖 火星探測器獲取的火星圖像和探測信息，豐富了人類的火星知識庫。它們的探測結果表明：火星的 大氣不能保證人的生命。火星大氣中有95.32%的二氧化碳，2.7%的氮，I. 6%的窟，還有少量的一氧化碳和氧以及微

45、量的臭氧.、氫和水蒸汽。火星大氣極為稀薄，火星表面處的大氣壓力只相當于地面上空海拔30-40 km處的大氣壓力。火星地貌大致被一個傾斜于火星赤道面的平面分為2部分。大圓南部地貌與月球相似，表面崎嶇，有不少隕石坑、環形山，還有許多火山口、峽谷和溝渠。大圓北部地勢普遍比南部低，環形山也比南部少。但未發現 火星上有活火山。未發現火星上有液態水，但過去有過“洪水”的跡象，并發現在火星極地有“水冰”存在的證據。在火星著陸點附近 并未發現有類似地球上的生命過程。火星上是否存在生命，還有待今后的探測。火星大氣層中有一種獨特的“塵暴”現象，有時可遍及 整個火星，持續半年時間。（2）火星探測器軌道的特點火星探測

46、器軌道很復雜，但其基本特點可以用三種軌道加以描述，即繞地心運動階段的軌道、繞日心運動階段的軌道、繞火心運動階段的軌道。下面在論述這三種軌道時。除作特殊說明外，均認為探測器在慣性飛行中分別只受到地球、太陽和火星的球形引力場的作用，而忽略引力攝動力、氣動力攝動力等攝動力的影響。即探測器所受到的引力分別與其到地心、日心和火心的距離平方成反比。另外，把地球和火星繞太陽的公轉軌道看作是共面、同向的兩個圓軌道，它們的軌道半徑分別為1.496X 108km、2. 279 X 108km。a）繞地心運動階段的軌道為了選擇有利的進入飛向火星軌道的起點，火星探測器在從地面起&后，一般先由航天運載器送入環 繞地球運

47、動的低高度近圓形停泊軌道。當探測器沿停泊軌道作慣性（無動力）運動到有利位置時，再用火 箭發動機的動力使探測器相對 于地心的運動速度v地7.9km/s。這樣，探測器就以這個速度為初速進入一條能以慣性飛行脫離地球引力場的過渡軌道。這條地球引力作用范圍內的過渡軌道不妨稱為地球過渡軌道。它是以地心為焦點的雙曲線 軌道。為了使探測器能飛達火星，在入軌點的地心距等于地球平均半徑（6371km ）即入軌點在地球表面或停泊軌道沿地球表面時，地球過渡軌道的初速不得小于11.57km/s。隨入軌點地心距的增加，這個初速的最小值會有所減小。當入軌點的地心距為6871 km （即停泊軌道高度為500 km ）時，地球

48、過渡軌道的初速值不得小于11.16 km/s。如若考慮到地球引力范圍中存在月球時，那么還可以采用繞月飛行技術來降低地球過渡軌道的初速 值。其原理可參見繞火心飛行 階段軌道。采用這種技術，地球過渡軌道的初速可以小于上段所述的最小值，但通過借用月球引力來加速，仍可使探側器飛達火星。b）繞日心運動階段的軌道火星探測器沿地球過渡軌道慣性飛行到地球相對于太陽的引力作用球范圍時，探測器就進入繞日心 的運動階段。探測器繞日心作慣性飛行的軌道，又稱為地球一火星過渡軌道。探測器在地球一火星過渡軌道相對于日心的初速（即入軌速 度）等于入軌時地球繞太陽公轉的速度與地球過渡軌道相對于地心的速度的 矢量和。當這個初速v

49、太V v逃太（逃逸太陽的速度）時，探 測器地球一火星過渡軌道相應地為以日心為焦點的橢圓；當逃太時，軌道為拋物線；當v太v逃太時，軌道為雙曲線。采用何種 地球一火星過渡軌道，視入軌時地球和火星的相對位置等因素而定，以保證探測器沿軌道飛行能進入火星相對于太陽的引力作用 范圍。 地球一火星過渡軌道的初速不得小于32.7 km/s （大于地球繞太陽的公轉速度29. 8 km/s）、且方向沿入軌時地球繞太陽公轉繞的方向。探測器將沿一條在近日點與地球公轉軌道相切、在遠日點與火星公轉軌道相切的雙共切橢圓軌道飛 向火星。這條雙共切橢圓軌道遠日點處相對日心的運動速度為21.5 km/s（小于火星繞太陽的公轉速度24.1 km/s）,方向與該時火星繞太陽公轉的方向相同。這條雙共切橢圓軌道是能量最省的地球一火星過渡軌道。c）繞火心運動階段的軌道火星探測器沿地球一火星過渡軌道慣性飛行到火星相對于太陽的引力作用范圍邊界時，探測器就進入繞火心的運動階段。探測器繞火心作慣性飛行的軌道稱為火