5) 航天飞机 航天飞机是一种多用途航天器。它能满足发射、修理和回收卫星以及运送人员、物资等需要，可多次重复使用，显著降低了运载成本。它的出现是航天技术发展的一次飞跃，代表了载人航天器的发展方向。 空间技术三大组成部分 美国最新研制的X-43A高超音速航天飞机的模拟飞行图。试验中的X-43A飞行速度将随气温和高度的不同而改变，一般为音速的7到10倍。 一名宇航员从正在驶离国际空间站的 “奋进”号航天飞机上拍下的空间站的照片 空间技术三大组成部分 空间技术三大组成部分 哥伦比亚号航天飞机 “发现”号航天飞机于美国东部时间2007年10月23日上午11时38分(北京时间10月23日23时38分)从佛罗里达州肯尼迪航天中心升空，飞往国际空间站。 欧洲未来航天飞机“凤凰”展英姿(2004年) 下一代载人航天器 新一代载人航天器 空间技术三大组成部分 猎户星座 2. 运载器：人造天体或宇宙飞船运送到预定轨道上去的火箭 空间技术三大组成部分 按不同飞行任务，运载火箭分三类： (1) 探空火箭: 携带仪器射向高空进行大气测量 (2) 弹道式导弹: 携带各种弹头打击敌方目标 (3) 卫星(飞船)运载器: 把卫星或飞船送上轨道 中国第一代可重复使用航天运载器外形 “东方号”系列火箭 空间技术三大组成部分 3. 地面测控系统：地面对航天器进行跟踪、遥控和保持通信联系 精确测量飞行器的姿态和轨道参数，并随时调整它的姿态偏差。

高精系统支持探月 "嫦娥一号"与地面的联系 五、 航天工程的主要发展方面 1. 开发月球 ? 地球上已有的各种元素月球上都有，而地球上没有氦-3的储量相当丰富，可用作核聚变的原料。 ? 进一步掌握有关行星大气、行星上火山和地质学方面的知识，为认识太阳系演化理论、生命起源等基本问题增添新内容。 ? 研究高能天体，有可能找到新能源。 ? 研究从近地空间扩展到远地空间，从内行星扩展到外行星，对太阳系所有行星进行跟踪观测。 嫦娥奔月模拟 航天工程的主要发展方面 2. 建立太空城 在地球和月球引力平衡的空间建造巨大的转轮，本身自转，以使在其内产生惯性力场，即人造重力效果。 材料：主要来自小行星 电力：来自太阳 城内农作物一年四熟，可供近万人在空间站内长期生活和工作。 预测，一个世纪后，居民达10亿。还可以作为宇宙飞船的码头和基地。 航天工程的主要发展方面 操作： 用火箭将太阳能发电卫星发射到空间轨道上，发电卫星在太空将太阳能转化成电能，电能通过微波发生器把直流电转换成微波电能，通过微波传送到地面接收电站，再向用户供电。 空间发电站组成： 太空部分 —— 太阳能发电卫星(在比地面上高4-5倍的空间地球同步轨道上建立太阳能电站。

) 地面部分 —— 接收电站。 3. 建立空间发电站 若用空间太阳能发电，可获得相当于目前世界发电总量5万倍以上的电力。 航天工程的主要发展方面 试验表明, 天上生产的单晶体可比地面上的大10倍 在零重力条件下，晶体的晶格排列整齐，晶体生长均匀，大大提高晶体的完善性. 如干扰素. 4. 建立空间工厂 利用外层空间特殊的环境和条件(如高真空、强辐射和航天器产生的零重力)加工生产某些性能优异的新材料、新产品的大型航天器。 太空工厂生产任务两种类型: (1) 利用零重力、高真空的空间环境，生产地球上急需的优质大型单晶体、火箭和航天用器的高强度复合材料、光学仪器用高级玻璃、原子反应堆用的耐高温金属材料及高纯度药品等。 (2) 开发月球或其他行星上的原材料，生产空间用的大型结构，如光学与射电天文观测仪器、远空间研究实验室、太阳能发电站和永久性空间住宅等。 航天工程的主要发展方面 太空农场种植庄稼，无需除草和喷洒农药，所以没有污染，生产出的蔬菜和水果非常洁净。 5. 建立太空农场 美、日、欧21世纪太空计划重点研究项目：植物在密封太空舱内进行长期实验。 太空农场可能建成球冠状，利用其外面可以转动的反射镜调节室内温度，从而使植物处于像地球上的生长环境一样。

俄罗斯的“和平”号空间站上有一个太空温室：面积约为900cm2，播种了数十粒不同品种小麦的“太空种子”。在太空失重条件下，播种的小麦在70～90天后成熟。在这个封闭的太空温室内，松土、浇灌等所有农活均是在宇航员控制下由机器人自动操作完成的。 航天工程的主要发展方面 宇航专家们预测，未来的某一天，帆飞船将踏上飞往另一颗恒星的旅程。这将需要边长1000米、密度每平米0.1克的帆。此外，还需要建造一个强力激光器或微波源，为飞船提供辅助能量。飞船将依靠绕地球轨道运行的、比太阳光强6倍的强力激光器和一个置于土星和海王星间的面积为得克萨斯州大小的巨型聚焦透镜提供能量。这样飞船即可在太空以1/10光速的速度飞行，在40年时间内即可到达距我们最近的阿尔法半人马座恒星。 6. 寻找地外文明 航天工程的主要发展方面 通常把离地球表面100—120公里以上的区域称为外层空间或人类的第四环境。显而易见，这个第四环境可到达无穷远的宇宙深空，故而又称宇宙空间，简称太空。 金属材料是进入工业社会以后，人类用得最早也是用得最多的材料，并长期占绝对优势。将来也将主导地位，特别的发展中国家。 空间技术的重大成就 ——空间技术的开创和发展是人类开拓宇宙空间的壮丽事业。

空间技术自50年代崛起以来，以其辉煌的成就对国际政治、军事产生的影响和对人类经济、文明作出的贡献举世瞩目。几十年来，空间技术取得了重大的成就，其中各类卫星大显神通。 若按对“天”的前一种理解，空间技术和航天技术完全是一回事；若按后一种理解，人们把地球大气层以外、太阳系以内的空间活动称之为航天，超出太阳系以外的空间活动称之为航宇。这样，空间技术则应涵盖航天技术和航宇技术。但由于在相当长的时间内，人类主要还是在太阳系内从事活动，因此，当今把航天技术和空间技术视为同义词已得到公认。 空间技术区别于一般常规技术的这两大特点，使其对一个国家的实力和进步起到意想不到的战略性作用：在经济上能产生很高的经济和社会效益，普遍认为，开发利用外层空间资源，其投资效益能达到1∶10以上；在军事上最能显示一个国家的军事实力，一个国家只要占有空间优势，就掌握了军事战略上的主动权；在政治上对提高一个国家在国际活动中的地位影响深远。一项重大空间成就，往往成为国际谈判的重大筹码；在科学技术上还能带动电子、自动化、遥感、生物等学科的发展，并形成包括卫星气象学、卫星海洋学、空间生物学和空间材料工艺学等一群新的边缘科学。 1957年10月7日，人类发射第一颗人造地球卫星进入轨道，标志航天工程从理论到应用的开端。

此后，航天工程大致经历了四个发展阶段。 第一阶段，1957－1960年，初期试验阶段。 第二阶段，1960－1964年，实际应用试验阶段。在所发射的人造天体上使用了各种特殊仪器设备，利用空间特殊环境条件，收集各种探测数据、遥感天空和地面、转送各种信息、进行各种特殊实验、把太阳能转化为电能等，人首次飞出大气层。 第三阶段。1964－1979年，载人飞行基本技术取得显著进步和迅速发展。60年代中期，美国开始在太空部署各种卫星网。美、苏两国通过各自的载人飞船计划证实人在宇宙空间的生活和工作能力；通过对行星的空间科学探测，发展了人类对宇宙空间的科学认识；阿波罗计划使人类首次登上月球；美国的旅行者I号、II号等行星探测器仍在太阳系里航行；天空实验室和礼炮号试验性空间站，为开发宇宙展示出广阔的前景。 第四阶段，1980年到现在，可称为航天飞机阶段。 科学家设想先建立临时性基地，以进行矿物开采和冶炼试验，为建造永久性基地做准备。进而建立月球城工厂林立。 已发射的空间站都是小型的试验性近地轨道空间站，不具备很多人长期工作和生活环境条件。科学家预言，可以在地球和月球引力平衡的空间建造巨大的太空城。

材料主要来自小行星。太空城外如轮状，本身自转，以使在其内产生惯性力场，即人造重力效果，电力来自太阳。城内阳光充足。气候宜人，有四季和昼夜的变化。并可自行调节，人类可以在自给自足的封闭生态系统内生活。城内农作物一年四熟，且高产。大气条件，建有工厂、农场、科研单位及生活设施，可供近万人在空间站内长期生活和工作。有人预测，一个世纪后，居民达10亿。还可以作为宇宙飞船的码头和基地。未来的空间站可用航天飞机运来组合件，在空间装配成大型空间建筑物“太空城”。 由于世界人口急剧膨胀，地球变得越来越拥挤，于是科学家们提出了建立太空城的设想。 美国科学家拟建的太空城，一种设计方案是一个旋转的圆筒，圆筒的一端对着太阳，另一头为半球形，一座半径为100米、长为4000米的圆筒太空城可容纳大约1万名居民。 另一种设计方案是轮状的、供中心旋转的太空城，太空城的整个直径2800米，轮圈本身的直径为300米，轮的外缘是太空城的地面，轮的内缘是太空城的顶部，“屋顶”由透明的材料做成天窗，阳光从天窗射进来，经过调节，使太空城明亮且温暖如春。 若用空间太阳能发电，可获得相当于目前世界发电总量5万倍以上的电力。在地面上大型的太阳能电池阵受种种影响，效率最低， 20世纪70年代,美国在"天空实验室"上的试验表明,天上生产的单晶体可比地面上的大10倍。

在零重力条件下，晶体的晶格排列整齐，晶体生长均匀，大大提高晶体的完善性如干扰素，20世纪末在美国是利用遗传工程技术由生物细胞制取，纯度很低，因为要把它从100多种其他生物细胞产生物的混合体中分离出来，操作要非常小心，速度很慢。否则溶液中的混合物容易上升或下沉。太空中由于没有重力，不会出现这种问题。科学家相信，在太空中制造的干扰素纯度是地球上制造的100－400倍。 科学家对从月球上取回的土壤进行了分析，认为只要略加改造即可用来作为太空农场种植庄稼的土壤。同时，还可用来提取氧气和合成水分，以供“太空人”生活之需。太空农场全部是自动化作业，只需在“控制室”操纵按钮，即可对作物进行全面管理。俄罗斯的“和平”号空间站上有一个太空温室，面积约为900平方厘米，播种了数十粒不同品种小麦的“太空种子”。在太空失重条件下，播种的小麦可望在70～90天后成熟。在这个封闭的太空温室内，松土、浇灌等所有农活均是在宇航员控制下由机器人自动操作完成的。 航天器——如运载火箭、人造卫星、航天飞机、空间站、空间探测器以及其他各类宇宙飞行器。其中有些利用非喷气推进原理，如太阳帆等。 航天器分类： (1) 近地轨道宇宙飞行器。

它们在地球引力作用范围内，围绕地球作轨道运动。如人造地球卫星，近地轨道航天飞机等。(2) 行星际宇宙飞行器。它们飞出地球引力作用范围，进入太阳、其他行星或其天然卫星的引力范围。 载人航天器按其飞行轨道可分为两类：一类是来往于地面和太空的载人航天器，如载人飞船和航天飞机等，又可称为天地往返运输器。另一类不返回地面，在空间轨道上长期运行，如载人空间站。载人航天器按其发展过程和功用又可分为载人飞船、空间站和航天飞机。其中，载人飞船又可分为卫星式载人飞船和登月飞船等。 飞机飞行要依靠空气浮力，而距地面1500km高空，空气分子密度只有3.2×1010/ｍ3。浮力太小。1903年齐奥尔科夫斯基提出火箭公式v=vPlnM0 / M(v为终速，vP喷气速度，M0为原始质量，M为所剩质量)计算表明，用液氧、煤油等作推进剂的单级火箭是无法达到宇宙速度的。即使用液氢液氧作推进剂，喷气速度也只能达到4.2km?s-1，因为考虑到空气阻力，从地面起飞的火箭，实际上应达到9.5km?s-1以上的速度。这样一来，火箭的质量比应达到11以上才行。也就是说，推进剂应占火箭总质量的91%以上，齐奥尔科夫斯基设想用多级火箭接力的办法来达到宇宙速度，就是在火箭垂直发射时，让最下面一级先工作，完成任务后脱离，接着启动上面一级，进一步提高速度。

目的：利用空间飞行器作为手段来研究发生在空间的物理、化学和生物等自然现象。 航天器为了完成航天任务，必须与运载器、航天器发射场和回收设施、航天测控和数据采集网和用户台站（网）等互相配合，协调工作，共同组成航天系统。航天系统是大型的系统工程。航天器是执行航天任务的主体，是航天系统的主要组成部分。人造地球卫星 简称人造卫星，是数量最多的航天器，约占航天器总数的90％以上。 * 空间与空间技术 同济大学物理系 古往今来为宙 上下左右为宇 一、空间：人类的第四环境 人类逐步扩展的活动范围： 从陆地?海洋?大气层(稠密空间)?外层空间 人类的第一环境：陆地 人类的第二环境：海洋 人类的第三环境：大气层 人类的第四环境：外层空间 简称宇宙空间或太空 “天” (外层空间简称外空) 的 两种理解： ? 地球大气层以外的无限遥远空间称之为“天” ? 地球大气层外、太阳系以内的有限空间叫做“天” 通常把离地球表面100—120km以上的区域称为外层空间——第四环境可到达无穷远的宇宙深空。 空间--人类的第四环境 进入第四环境需要克服的难关： 1．克服地球甚至太阳系的万有引力。 2．克服真空。 3．适应剧烈变化的温度环境。

4．防止有害辐射。 第四环境中蕴藏着的空间资源， 仅就近地的外空领域来看，可利用的空间资源就有： 相对地面的高位置资源； 微重力环境资源； 高真空、高洁净环境资源； 超低温资源； 太阳能资源； 月球及其行星资源等。 二、空间技术：铺向通天路 空间技术：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——高度综合的技术。 目的：利用空间飞行器作为手段来研究发生在空间的物理、化学和生物等自然现象。 航天：地球大气层以外、太阳系以内的空间活动 航宇：超出太阳系以外的空间活动 ? 空间技术 ~ 航天技术？ 空间技术：涵盖航天技术和航宇技术 由于在相当长的时间内，人类主要还是在太阳系内从事活动，因此，当今把航天技术和空间技术视为同义词已得到公认。 空间技术––铺向通天路 1957－1960年 初期试验阶段 1960－1964年 实际应用试验阶段 1964－1979年 载人飞行 在太空部署各种卫星网 对行星空间科学探测 1980年到现在 航天飞机阶段 空间技术––铺向通天路 1. 空间技术的主要特点 ? 空间技术是一门高度综合性的科学技术，是很多现代科学和技术成就的综合集成。

它主要依赖于电子技术、自动化技术、遥感技术和计算机技术等众多先进技术的发展。因此，一个国家空间技术的成就，最能体现其科学技术的水平，是衡量其科技实力的重要标志。 ? 空间技术是一门快速的、大范围的、在宏观尺度上最能发挥作用的科学技术。比如，通信卫星可以大面积覆盖地面以至全球；气象卫星可以进行全球天气预报；侦察卫星可以及时监视广大地区的军事活动等等。 ? 全波段天文观测 (摆脱了大气层阻碍，可以接收到来自宇宙天体的全部电磁辐射信息) ? 实现对空间环境的直接探测以及对月球和太阳系大行星的逼近观测和直接取样观测 ? 迅速而大量地收集有关地球大气、海洋和陆