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航天

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“航天”的各地常用别名
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航天指与研究和探索外层空间有关的领域,航天器太空的航行活动。科学界一般把太阳系内的航行活动称为“航天”,而把太阳系外的航行活动称为“航宇”。

按航天器探索、开发和利用的对象划分,航天包括环绕地球的运行、飞往月球的航行、飞往太阳系内其他行星及其卫星的航行、星际航行(行星际航行、恒星际航行)。按航天器与探索、开发和利用对象的关系或位置划分,航天飞行方式包括飞越(从天体近旁飞过)、绕飞(环绕天体飞行)、着陆(降落在天体上面)、返回(脱离天体、重返地球)。

执行军事任务(具有军事目的)的航天活动,称为军用航天;执行科学研究、经济开发、工业生产等民用任务(具有非军事目的)的航天活动,称为民用航天;执行商业合同任务(以营利为目的)的航天活动,称为商业航天。有人驾驶航天器的航天活动,称为载人航天;没有人驾驶航天器的航天活动,称为不载人航天。

航天的主要目的是太空探索,其商业用途主要是卫星通讯,也有近来兴起的太空旅游。其他非商用的用途包括星空观测,间谍卫星和地球观测。

历史

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基, 火箭专家和宇航先驱
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基, 火箭专家和宇航先驱

可行的太空旅行的方案可以追溯到康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,他最著名的作品——"Исследование мировых пространств реактивными приборами"(《利用反作用力设施探索宇宙空间》)发表于1903年,他最早从理论上论证多级火箭可以克服地心引力进入太空[1],但当时这份理论著作没有在苏联以外产生广泛影响。

航天成为可行工程始于1919年,罗伯特·戈达德发表了论文《到达超高空的方法》;其中把拉伐尔喷管应用到液态火箭发动机,其足够的动力使星际旅行成为可能。他还在实验室中证明了火箭可以在真空空间工作,但当时没有得到普遍认同。这篇论文对后来航天工程的关键人物极具影响,其中包括赫尔曼·奥伯特沃纳·冯·布劳恩

1944年6月,德国V-2火箭在一次飞行测试达到189 km的高度,这是第一枚到达太空的火箭[2]

1957年10月4日,苏联发射史泼尼克1号,它是第一颗进入地球轨道的人造卫星。

1961年4月12日,东方一号承载苏联宇航员尤里·加加林进行环绕地球轨道一次,这是首次载人航天。东方一号是由谢尔盖·科罗廖夫与克里姆·阿利耶维奇·克里莫夫所设计的[3]

火箭目前依然是到达太空的唯一实际手段。超音速燃烧冲压发动机等其他非火箭运载技术仍远低于轨道速度。

航天的开始阶段

发射

阿波罗4号发射前的在发射台上的土星5号运载火箭
阿波罗4号发射前的在发射台上的土星5号运载火箭

火箭的发射通常在发射场上,场区内有整套试验设施与设备,用以装配、储存、检测和发射航天器,测量飞行轨道,发送控制指令,接收和处理遥测信息[4]。出于噪音和安全方面的原因,发射场选在远离人类居住的地方。航天发射场多数由导弹实验靶场改造而成,他们的组成设备和功能基本相同[5]

发射通常受一定的发射窗口限制。这些窗口取决于天体的位置和相对于发射场的轨道。影响最大的往往是地球的自转。一经发射,轨道通常在一个相对固定的平面上,该平面与地球轴成一固定角度,而地球在这个轨道上旋转。

发射台是一个用于发送飞行器的固定的结构。通常包括发射塔和火焰沟槽。并由竖立,燃料,稳定运载火箭等装置包围。

到达太空

国际航空联合会定义在100公里的高度为卡门线,高于此线就是太空。

火箭是目前到达太空唯一的可行手段。常规飞机发动机不能达到缺乏氧气的空间。火箭发动机排出推进剂提供前向推力,产生足够的加速度进入轨道。针对不同应用的推进系统包括:

对于载人发射系统通常会安装发射逃逸系统,用于在发生灾难性故障的情况下让宇航员逃生。

到达太空的其他方法

航天到达太空阶段

航天飞行的速度要求

发射于1959年的月球1号是首个达到第一宇宙速度的人造物体.[6] 图为博物馆复制品照片
发射于1959年的月球1号是首个达到第一宇宙速度的人造物体.[6] 图为博物馆复制品照片

宇宙速度是物体从地球出发,在天体的重力场中运动,四个较有代表性的初始速度的统称。航天器按其任务的不同,需要达到这四个宇宙速度的其中一个。

第一宇宙速度

第一宇宙速度又称为环绕速度,是指在地球上发射的物体绕地球飞行作圆周运动所需的最小初始速度。若在150千米的飞行高度上,其环绕速度为7.8千米/秒。

第二宇宙速度

第二宇宙速度,亦即地球的逃逸速度,是指在地球上发射的物体摆脱地球引力束缚,飞离地球所需的最小初始速度。若航天器已到达近地轨道的高度,航天器的脱离速度约为10.9千米/秒。

第三宇宙速度

第三宇宙速度,亦即太阳的逃逸速度,是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚,飞出太阳系所需的最小初始速度。本来,在地球轨道上,要脱离太阳引力所需的初始速度为42.1千米/秒,但地球绕太阳公转时令地面所有物体已具有29.8千米/秒的初始速度,故此若沿地球公转方向发射,只需在脱离地球引力以外额外再加上12.3千米/秒的速度。

第四宇宙速度

第四宇宙速度是指在地球上发射的物体摆脱银河系引力束缚,飞出银河系所需的最小初始速度。但由于人们尚未知道银河系的准确大小与质量,因此只能粗略估算,其数值在525千米/秒以上。而实际上,仍然没有航天器能够达到这个速度。

航天动力学

航天动力学是研究航天器和运载器在飞行中所受的力及其在力作用下的运动的学科,其中主要是对引力和推进作用的研究。航天动力学的研究可以使航天器不需要额外的推进剂而准时到达目的地。 非火箭轨道推进方法包括太阳帆磁化帆,和使用重力弹弓效应

航天返回阶段

再入

航天器再入时的电离气体痕迹
航天器再入时的电离气体痕迹

由于在目前的技术条件下返回大气层时航天器的速度极高,因此非破坏性返回的过程一般需要有特殊的措施来保护航天器避免受到气动力加热和震动、冲击等损害。再入原理由Harry Julian Allen提出.而从原理中显示,钝形隔热板效率最佳,因为返回式航天器的摩擦热与阻力系数成反比,即阻力愈大,热负荷愈低。

着陆

航天器下降到约15km的高空,速度已减少到亚音速。为了保证安全着陆,需要采取进一步的减速措施。弹道式再入航天器常采取降落伞作为着陆减速手段。[7]

回收

由C-119飞机回收发现者14
C-119飞机回收发现者14

着陆成功后的航天器,其乘员和货物可以回收。在某些情况下,航天器降落时就可以回收:当航天器还在降落伞下降落,它可以通过特殊设计的飞机回收。这种半空回收技术用于间谍卫星的回收。

航天活动分类

载人航天

STS-119组员访问后的国际空间站.
STS-119组员访问后的国际空间站.

载人航天是由宇航员执行的太空探索,可以由单人或多人执行。载人航天需使用载人航天器进行。

历史上首次载人航天任务是发射于1961年4月12日的东方1号,苏联宇航员尤里·加加林在环绕地球轨道一周后安全返回地球。1963年6月16日,苏联宇航员瓦莲京娜·捷列什科娃执行东方6号任务时成为了第一名进入太空的女性。1966年,美国的双子星11号创造了最高地球轨道记录,飞行高度达1374千米。发射和修理哈勃太空望远镜的两次太空梭任务也曾达到600千米左右的飞行高度。2003年,中国神舟五号宇航员杨利伟,成功围绕地球十四圈,中国为第三个成功进行载人航天的国家。

迄今为止,载人航天飞行目标在地球轨道之外的任务只限于月球,尽管月球本身也是地球的卫星。第一次去月球的载人任务阿波罗8号中,三位宇航员曾进入月球轨道。阿波罗10号第二次环绕了月球,在月球轨道进行了登月航天器的测试。

人造卫星

人造卫星是由人类建造的航天器的一种,也是数量最多的一种。人造卫星以太空飞行载具如运载火箭太空梭等发射到太空中,像天然卫星一样环绕地球或其它行星运行。

太空探索

太空探索是指以物理手段探索地球以外物体以及探索太空时涉及到的任何技术, 科学政策。人类历史上最著名并最有影响力的一次太空探索是在冷战太空竞赛期间第一个人类成功踏上月球

太空旅游

太空旅游指非以执行任务(例如进行实验或工作)为目的,而搭乘航天器参与太空飞行。在苏联解体后,由于航天器的操作成本极大,同时要付给哈萨克拜科努尔航天中心地租与使用场地费,俄国为筹措经费,开放了民间金钱赞助,报酬即为可让赞助者搭乘航天器进入太空,因此大多数太空游客为支付大笔费用的亿万富翁。由于NASA的太空任务仅供国际专门科研之用,故现今太空旅游仍以俄国为主。

航天器与发射系统

阿波罗登月舱在月球表面
阿波罗登月舱在月球表面

航天器是指在地球大气层以外的宇宙空间中,基本按照天体力学的规律运动的各种飞行器[8]。航天器与自然天体的不同之处在于其可以受控改变其运行轨道或进行回收。常见的航天器包括人造卫星空间探测器太空梭和各种空间站等。航天器要完成其任务必须具备发射场、运载器、航天测控系统、数据采集系统、用户站台以及回收设施等的配合。

航天器推进

太空飞行器推进是任何加速太空飞行器人造卫星的方法,目前已知具有许多方式,每一种方式都有弱点与优点。目前许多推进方式是采用火箭

一次性使用运载系统

一次性使用运载系统使用一次性的运载火箭把载荷发射入太空。顾名思义,一次性的运载火箭火箭只使用一次,火箭的各部件发射后不会被回收并用于其他的发射。由于现今的运载火箭都是一次性的,所以一次性的运载火箭也可以简称为运载火箭。运载火箭一般由多级火箭串联而成,在火箭飞行逐级使用并逐级抛弃。

可重复使用的发射系统

STS-1任务中发动机点火后的哥伦比亚号太空梭
STS-1任务中发动机点火后的哥伦比亚号太空梭

挑战

航天器灾难

为了让航天器进入轨道,所有的运载火箭都包含了大量的燃料,因此存在能量突然大量释放的风险,而且可能会造成灾难性的影响。像德尔塔-2运载火箭在1997年1月17日在起飞后13秒爆炸[9],当时16公里外的商店橱窗有因爆炸影响而破裂[10]

航天器内是个较可以预期的环境,但仍然有意外的卸压或设备(尤其是新开发导入的设备)失效的可能性。

2004年时国际太空安全促进协会英语International Association for the Advancement of Space Safety在荷兰成立,目的在促进在航天系统安全上的跨国合作及科学研究[11]

失重

国际空间站上的宇航员失重
国际空间站上的宇航员失重

在微重力的环境中(例如在地球轨道的航天器中),宇航员会体验到失重的情形。短暂的失重会造成航天微重力症候群英语space adaptation syndrome,是因为前庭系统的紊乱引起的恶心症状。长时的失重会造成一些健康上的问题,最明显的是骨质流失,而且可能有部分是永久性的,微重力也会造成肌肉及心血管组织的显著机能失调

辐射

只要离开大气层后,就会有来自范艾伦辐射带太阳光宇宙线的辐射。

在远离地球之后,太阳的闪焰会在数分钟达到致命的辐射剂量,而且在暴露在宇宙线十年或更长时间下,癌症的可能性会显著的增加[12]

维生系统

载人航天飞行器中,生命保障系统是指一组可以让人在外层空间可以生存的设备。NASA会用“环境控制及生命保障系统”的词语,或是其简称ECLSS来描述载人航天飞行器中的生命保障系统[13]。生命保障系统会提供:空气食物,也会让体温维持在正常的温度,让身体的压强在可承受的范围内,并且处理人体的排泄物。生命保障系统也可能要隔绝像辐射及陨石微粒等外来影响。生命保障系统中的设备都属于生命攸关系统,需依照安全工程的技术来设计及构建。

太空天气

极光和“发现号”(1991年5月)
极光“发现号”(1991年5月)

太空天气在一些领域对太空探索和发展有深远的影响。不断变化的地磁条件可以造成大气密度的急剧改变,造成低地球轨道上航天器高度的堕落。由于太阳活动增强产生的地磁风暴可能导致航天飞行器上的感应器暂时失常,或是干扰到飞行器上的电子仪器。此外,磁暴也会影响到在高纬度上常态飞行的飞机,使受到的辐射总量增加[14]。很好的了解太空环境状况对设计航天器的遮罩和载人航天器的生命支援系统也是很重要的。

参考文献

引用

  1. ^ 褚桂柏 2002, p. 2.
  2. ^ "The V2 and the German, Russian and American Rocket Program", C. Reuter. German Canadian Museum. p. 170. ISBN 978-1-894643-05-4, ISBN 978-1-894643-05-4.
  3. ^ Peter Bond, Obituary: Lt-Gen Kerim Kerimov, The Independent, 7 April 2003.
  4. ^ 褚桂柏 2002, p. 15.
  5. ^ 褚桂柏 2002, p. 358.
  6. ^ NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details. Nssdc.gsfc.nasa.gov. [2018-03-16]. 
  7. ^ 褚桂柏 2002, p. 93.
  8. ^ ,谢础, 贾玉红, 黄俊, 吴永康. 航空航天技术概论(第2版). 北京航空航天大学出版社. 2008: 7, 8. ISBN 978-7-81124-428-1. 
  9. ^ 盘点世界航空史上发生的重大灾难. Tech.qq.com. [2018-03-16]. 
  10. ^ Unmanned rocket explodes after liftoff. CNN. 
  11. ^ The second IAASS: Introduction. Congrex. European Space Agency. [3 January 2009]. (原始内容存档于2012年7月24日). 
  12. ^ Super Spaceships, NASA, 16 September 2002, Retrieved 25 October 2011.
  13. ^ Breathing Easy on the Space Station. NASA. 
  14. ^ Mertens, Christopher. Progress on NASA NAIRAS Model Development (PDF). Space Policy Institute Workshop on Space Weather, Aviation, and Spaceflight. 2008-01-11 [2008-04-27]. (原始内容 (PDF)存档于2008-05-28). 

来源

书籍
  • 褚桂柏 主编 (编). 《航天技术概论》. 中国宇航出版社. 2002: 425. ISBN 9787801444783. 

参见

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航天
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