物理与航天科技

物理与航天科技

第一课 中国航天发展史

公元2002年3月22日凌晨，当长征二号Ｆ”捆绑式大推力运载火箭运载着“神舟三号” 发射升空成功时，每一个中国人都无不为之自豪。“科技是第一生产力”，中国的发展终归依靠科技的进步。中国的航天事业，是中国科技事业的极其重要的组成部分，是一代又一代中国科技人员智慧和汗水的结晶。现在让我们来简单的回顾一下中国航天事业半个世纪以来所走过的曲折之路：

公元1000年，中国制造出世界上第一枚火箭；直到公元13世纪，欧洲人才从中国人手中得到这份稀世厚礼-- 火箭术。

公元1840年，英国用大炮轰开了中国的大门。当英军的火箭落在了清皇们的头上时，

火箭的子孙们才恍然大悟：“火箭！中国的火箭呢？”。

中国，本是在这个世界上最先发明了火箭的国家，但因为长期的闭关锁国加上苦不堪言的百年挨打史，最终却落得个火箭几乎要断子绝孙的下场。

多少人在着急：丢了火箭，等于丢了打狗棍！

多少人在渴盼：火箭，你何时才能重返故乡？

终于，1960年，啃白菜帮子，吃麦糊糊，却精神饱满；中国的火箭将士们，忍着饥饿的肚子，开始了从仿制苏联导弹到自己设计导弹的艰难跋涉。

1962年3月21日，中国第一枚自行设计的火箭在酒泉发射场升空10秒后，一个跟头栽下来。

1966年10月27日，写了遗书又交了“最后一次”党费的“戈壁七雄”走进地下控制室；当中国宣布导弹核武器发射成功的消息时，全世界都被震动了。

1970年4月24日，“长征一号”运载火箭第一次亮相。

1970年，我国用长征一号运载火箭成功发射了第一颗东方红卫星；此后，我国用洲际运载火箭改造而成的长征二号运载火箭连续发射几十颗科学实验、返回式科学实验卫星，全部成功。

八十年代初，中国自行研制的运载火箭日趋成熟。1980年5月18日，我国的第一枚洲际弹道导弹向太平洋海区发射成功；1982年10月中旬，我国自行研制的核潜艇从水下发射的战略火箭准确命中目标。

1984年4月8日，“长征三号”运载火箭将第一颗同步通信卫星送人地球静止轨道集中体现了我国现代火箭技术的最新成就。......

1984年，我国用自己研制的长征三号运载火箭将我国自己研制的第一颗通讯卫星送上了距地球3万6千公里的地球同步轨。

20世纪80年代后期，我国的运载火箭开始进入国际卫星发射市场。

自亚星一号发射成功之后，便一发而不可收。伴随着卫星发射的需要，我国的运载火箭的种类逐步增多。长征三号甲、长征三号乙、长二捆、长三捆相继问世，并发射国际卫星成功。

1999年11月20日，我国第一艘试验飞船“神舟一号”遨游太空，掀开了中国载人航天工程飞行试验史上的第一页。

2001年10月9日国家航天局局长栾恩杰在正在此间举行的中国工业高科技论坛上做报告时指出，随着航天三大领域的逐渐统一，我国将增强在这个高技术领域的宏观管理和政策引导，走有中国特色的航天发展道路，推动中国航天跨越式发展。

2001年11月，我国政府首次发表《中国的航天》白皮书，向世人展示了在21世纪前期中国和平利用外层空间、造福于人类的航天活动的发展前景和奋斗目标。

2001年1月10日凌晨，在西北戈壁滩的酒泉卫星发射中心载人航天发射场，“神舟二号”无人飞船搭载着动物和微生物细胞组织实验样本由“长征二号Ｆ”捆绑式大推力运载火箭发射升空成功。宇宙飞船的升空，将是建国以来继原子弹、氢弹爆炸成功和人造地球卫星升空后，中国最大的一次科学实验。这是中国航天新世纪献给祖国母亲的一份厚礼。

2002年3月22日22时15分，我国在酒泉卫星发射中心成功发射了“神舟三号”飞船。这是一艘正样无人飞船，除航天员没有上之外，飞船技术状态与载人状态完全一致。它标志着我国载人航天工程取得了新的重要进展，为不久的将来把中国航天员送上太空打下了坚实的基础。

2002年4月1日16时51分在内蒙古中部地区成功着陆。飞船顺利完成原定的空间科学和技术试验任务。我国载人航天第三次飞行试验获得圆满成功。

2002年12月30日0时40分，中国自行研制的神舟四号无人飞船在酒泉卫星发射中心用长征2号F火箭发射升空并成功进入预定轨道。这是我国载人航天工程的第4次飞行试验。火箭点火升空十几分钟后，飞船成功进入预定轨道。在太空实行了6天零18小时（108圈）的飞行后，于2003年1月5日19时16分在内蒙古中部地区预定着陆场返回。此次是长征系列运载火箭的第69次飞行，也是自1996年10月以来，我国航天发射连续第 27次获得成功。

2003年10月15日，中国在酒泉卫星发射中心执行首次载人航天飞行，并取得圆满成功。中国成为世界上第三个能独立执行载人航天飞行的国家。随后飞船在太空实行了21小时（14圈）的飞行后，于2003年10月16日6时28分在内蒙古中部阿木古朗草原地区（预定着陆场）平安返回。此次是长征系列运载火箭第71次飞行，也是继1996年10月以来，我国航天发射连续第29次获得成功。

　 2005年10月12日9时0分0秒，中国酒泉卫星发射中心用长征2号F运载火箭将神舟六号载人飞船成功送入太空。此次乘坐飞船的航天员是费俊龙、聂海胜。火箭发射584秒后飞船进入预定轨道，在太空飞行了115小时32分（77圈）后于10月17日凌晨4时32分在四子王草原秋韵主着陆场平安返回。实现了多人 2006年4月27日,中国酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭成功将“遥感卫星一号”送入太空。此次发射是长征系列运载火箭的第89次飞行。美国称“遥感卫星一号”是合成孔径雷达侦察卫星，并称为“尖兵5号”。多天飞行并安全返回

2007年5月25日,中国酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将“遥感卫星二号”送入太空。此次发射是长征系列运载火箭的第99次飞行。美国把“遥感卫星二号”称为“尖兵6号”。

2007年10月24日18时05分，西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭将中国首颗探月卫星嫦娥一号送入太空，此后用8天至9天时间完成调相轨道段、地月转移轨道段和环月轨道段飞行。经过8次变轨后，于11月7日正式进入月球工作轨道。2009年3月1日16时13分，嫦娥一号卫星在完成任务之后，在控制下成功撞击月球。为我国月球探测的一期工程，划上了圆满句号。

2008年9月25日21点10分04秒988毫秒，中国酒泉卫星发射中心用长征2号F运载火箭将神舟七号载人飞船成功送入太空。此次乘坐飞船的航天员是翟志刚、景海鹏、刘伯明。中国成功实现了航天员太空行走。火箭发射第120秒火箭抛掉助推器及逃逸塔；第159秒火箭一二级分离；第200秒整流罩分离；第500秒三级火箭关机；第583秒飞船与火箭分离；随后飞船正常进入预定轨道。

2009年12月16日15日10时31分，我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功地将“遥感卫星八号”送入太空，搭载火箭升空的我国首颗公益小卫星“希望一号”也顺利进入预定的太阳同步轨道。此次“一箭双星”方式发射的卫星，是希望一号卫星（原称“希望号”奥运星，代号XW-1）是中国宇航学会、中国科学技术协会、北京奥组委主办的全国青少年航天科技体验活动的重要组成部分，是中国航天科技集团公司为我国青少年研制的第一颗科学实验卫星。主要飞行任务是搭载青少年提出的“天圆地方”科学实验方案、建立业余无线电空间通讯及实行太空摄影。

2010年10月1日19时，嫦娥二号探月卫星在西昌卫星发射中心2号塔位用长征三号丙火箭整点成功发射升空。它是我国探月工程二期阶段的第一颗卫星，主要任务是获得更清晰、更详细的月球表面影像数据和月球极区表面数据，其上搭载的CCD照相机的分辨率将更高，其他探测设备也将有所改进。为“嫦娥三号”实现月球软着陆实行部分关键技术试验，并对嫦娥三号着陆区实行高精度成像。

第二课 卫星

一、卫星

是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体，人造卫星一般亦可称为卫星。人造卫星是由人类建造，以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中，像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置。

月球就是最明显的天然卫星的例子。在太阳系里，除水星和金星外其他行星都有天然卫星。太阳系已知的天然卫星总数（包括构成行星环的较大的碎块）至少有160颗。天然卫星是指环绕行星运转的星球，而行星又环绕着恒星运转。如图为“土卫六”图片。

二．按用途分

它可分为三大类：科学卫星，技术试验卫星和应用卫星。

①科学卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星，用来研究高层大气，地球辐射带，地球磁层，宇宙线，太阳辐射等，并能够观测其他星体。

②技术试验卫星是实行新技术试验或为应用卫星实行试验的卫星。航天技术中有很多新原理，新材料，新仪器，其能否使用，必须在天上实行试验；一种新卫星的性能如何，也只有把它发射到天上去实际“锻炼”，试验成功后才能应用；人上天之前必须先实行动物试验……这些都是技术试验卫星的使命。

③应用卫星是直接为人类服务的卫星，它的种类最多，数量最大，其中包括：通信卫星，气象卫星，侦察卫星，导航卫星，测地卫星，地球资源卫星，截击卫星，军用卫星等等。

三、卫星工程系统

人造卫星能够成功执行预定任务，单凭卫星本身是不行的，而需要完整的卫星工程系统，一般由以下系统组成：发射场系统、运载火箭系统、卫星系统、测控系统 、卫星应用系统 、回收区系统（限于返回式卫星）五大系统组成。

四、卫星系统设备

卫星系统中，各种设备按其功能上的不同，分为有效载荷及卫星平台两绝大部分。

1、有效载荷，对地相机、恒星相机和搭载的有效载荷

2、卫星平台为有效载荷的操作提供环境及技术条件，卫星平台又分为多个子系统：服务系统、热控分系统、姿态和轨道控制分系统、程序控制分系统、遥测分系统、遥控分系统、跟踪和测试分系统、供配电分系统、返回分系统（限于返回式卫星）和卫星结构平台

五、太空垃圾

我们51年前将第一个航天器发射到太空———苏联第一颗人造卫星。半个世纪过去了，现在的太空里面数百颗卫星、一个国际空间站、一个太空望远镜、大量行星间探测器正在运行，另外还充斥着无数的碎片，这里变成了一个垃圾场，众所周知，地球的大气和海洋正因堆积如山的垃圾而遭受严重污染。而欧洲航天局地面控制中心近日公布的电脑模拟图像显示，“太空垃圾”已经让地球上空成了一个垃圾场。火箭科学家专业的说法，它们被称为“轨道碎片”，不过一般人都将其称为“太空垃圾”。

　如今，太空垃圾日益成为人类面临的一个难题。

　航天器会掉落大气层化为灰烬，但这个过程通常需要几个月时间。还有数百万太空碎片在距地面2万英里的地球静止轨道周围徘徊，始终不散去。

　构成这些碎片的包括废弃的航天器和报废卫星，火箭外包装，碰撞和对接期间产生的金属片，螺母和螺栓，不慎丢弃的工具，以及从载人飞船上扔下的宇航员排泄物。俄罗斯“和平”号空间站虽为人类太空探索作出过重大贡献，但也在运行过程中产生了200多包垃圾。

　1994年，“飞马座”无人火箭爆炸，瞬间化为30万件直径超过八分之一英寸的碎片。

　“发生惨剧仅仅时间问题” 如今，美宇航局和其他机构逐渐地将部分太空垃圾编成目录。太空垃圾之所以受到如此重视，是因为它们严重威胁着宇航员和航天器安全。一小块涂料在太空的飞行速度能达到时速数万英里，一旦撞到国际空间站上，它们能轻而易举在空间站外壳留下凹痕，甚至能撞裂玻璃幸运的是，现代航天器装备有防护屏，能够使直径达到半英寸的物体撞击方向发生偏转。此外，太空无比浩瀚，这些太空垃圾之间的空间很大，撞击的可能性微乎其微。但是，专家仍指出这种惨剧的发生仅仅时间的问题。悲哀的是，清除太空垃圾远比清除地球上的垃圾困难得多。

第三课 卫星的运行

一、卫星的运行及规律

一般情况下运行的卫星，其所受万有引力不刚好提供向心力，此时，卫星的运行速率及轨道半径就要发生变化，万有引力做功，我们将其称为不稳定运行即变轨运动；而当它所受万有引力刚好提供向心力时，它的运行速率就不再发生变化，轨道半径确定不变从而做匀速圆周运动，我们称为稳定运行.

对于稳定运行状态的卫星，①运行速率不变；②轨道半径不变；③万有引力提供向心力，即GMm/r2=mv2/r成立.其运行速度与其运行轨道处于一一对应关系，即每一轨道都有一确定速度相对应.而不稳定运行的卫星则不具备上述关系，其运行速率和轨道半径都在发生着变化.

二、同步卫星的四定

地球同步卫星是相对地球表面静止的稳定运行卫星.

1.地球同步卫星的轨道平面，非同步人造地球卫星其轨道平面可与地轴有任意夹角，而同步卫星一定位于赤道的正上方，不可能在与赤道平行的其他平面上.

2.地球同步卫星的周期：地球同步卫星的运转周期与地球自转周期相同.

3.地球同步卫星的轨道半径：据牛顿第二定律有GMm/r2=mω02r，得r=，ω0与地球自转角速度相同，所以地球同步卫星的轨道半径为r=4.24×104km.其离地面高度也是一定的.

4.地球同步卫星的线速度：地球同步卫星的线速度大小为v=ω0r=3.08×103 m/s，为定值，绕行方向与地球自转方向相同.

三．卫星的发射

人造卫星发射时，发射速度要大于第一宇宙速度。若最终轨道是圆轨道，发射速度越大，则轨道半径越大，离地越远，卫星在轨道上运行的速度越小，运行周期越长，卫星的最终动能越小，势能越大，总能量越大，发射需要消耗的能量也就越多。

卫星的发射速度是指在近地轨道的速度。我们说的第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度都指的是发射速度；当卫星在预定轨道上绕地球做匀速圆周运动时的速度称为运行速度，只有以第一宇宙速度发射的人造卫星绕地球表面运动时，运行速度才与发射速度相等，而对于在离地较高的轨道上运行的卫星，其运行时的速度与地面发射速度并不相等，因为卫星发射后在达到预定轨道的过程中要持续地克服地球的引力作用，因而到达预定轨道后其运行速度要比地面发射速度小。但我们又知道要想将卫星发射到更高的轨道，在地面发射时需要提供给卫星更大的速度，这与在越高轨道上运行速度越小并不矛盾，因为其中一个指运行速度，一个指发射速度。

四．卫星的运行

人造卫星绕地球运行时，一般按圆周运动来处理，根据万有引力与向心力的关系可求出卫星运行的周期、角速度、线速度等，并可对不同轨道上的卫星实行比较。

卫星绕地球做匀速圆周运动时靠地球对它的万有引力充当向心力，地球对卫星的万有引力指向地心，所以卫星绕地球做匀速圆周运动的圆心必与地心重合，而这样的轨道有多种，其中比较特殊的有与赤道共面的赤道轨道（赤道卫星）和通过两极点上空的极地轨道（极地卫星），当然也就存有着与赤道平面成某一角度的圆轨道，只要圆周的圆心在地心，就可能成为卫星绕地球运行的圆轨道。结合以上分析请思考：同步卫星的轨道为什么必与赤道共面）

五．卫星的变轨

正常运动的卫星因为某种原因，其中的某个物理量发生了变化，卫星的运行轨道要做相对应调整。当人造卫星在某一轨道上以某一速度运动，万有引力与向心力相等时，卫星在该轨道上做匀速圆周运动，如果卫星线速度变大，导致万有引力不足以提供向心力，卫星就要做离心运动而偏离原来的轨道，运行半径将变大（轨道为椭圆）。反之，人造卫星将偏离原来的轨道向圆心方向漂移，在卫星回收时，选择恰当的时机使做圆周运动的卫星速率突然减小，卫星将会沿椭圆轨道做向心运动，让该椭圆与预定回收地点相切或相交，就能成功地回收卫星。

第三课 航天飞机与空间站

航天飞机（Space Shuttle，又称为太空梭或太空穿梭机）

是可重复使用的、往返于太空和地面之间的航天器，结合了飞机与航天器的性质。它既能代表运载火箭把人造卫星等航天器送入太空，也能像载人飞船那样在轨道上运行，还能像飞机那样在大气层中滑翔着陆。航天飞机为人类自由进出太空提供了很好的工具，它大大降低航天活动的费用，是航天史上的一个重要里程碑。

航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器，它以火箭发动机为动力发射到太空，能在轨道上运行，且能够往返于地球表面和近地轨道之间，可部分重复使用的航天器。它由轨道器、固体燃料助推火箭和外储箱三绝大部分组成。

二、空间站（Space Station）：又称航天站、太空站、轨道站。是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站分为单一式和组合式两种。单一式空间站可由航天运载器一次发射入轨，组合式空间站则由航天运载器分批将组件送入轨道，在太空组装而成。

人类并不满足于在太空作短暂的旅游，为了开发太空，需要建立长期生活和工作的基地。于是，随着航天技术的进步，在太空建立新居所的条件成熟了。空间站是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员在其中生活工作和巡访的载人航天器。小型的空间站可一次发射完成，较大型的可分批发射组件，在太空中组装成为整体。在空间站中要有人能够生活的一切设施，不再返回地球。

　国际空间站结构复杂，规模大，由航天员居住舱、实验舱、服务舱，对接过渡舱、桁架、太阳电池等部分组成，试用期一般为5~10年。

三、各国的空间站

1、前苏联礼炮号空间站

前苏联一共发射了7座礼炮号空间站，前5座只有一个对接口，即只能与一艘飞船对接飞行。因站上携带的食品，氧气，燃料等储备有限，在太空寿命都不很长。经过改进的礼炮6号和7号空间站，增加了一个对接口，除接待联盟号载入飞船外，还可与进步号货运飞船对接，用以补给宇航员生活所需的名种用品。1977年9月29日发射上天的礼炮6号空间站，在太空飞行近5年，共接待18艘联盟号和联盟T号载人飞船。有16批33名宇航到站上工作，累计载人飞行176天。其中1980年宇航员波波夫和柳明创造了在空间站飞行185天的纪录。1982年4月19日礼炮7空间站进入轨道飞行，接待了联盟T号飞船的11批28名宇航，其中包括第一位实行太空行走的女宇航员萨维茨卡娅。特别是1984年3名宇航员基齐姆，索洛维约夫和阿季科夫在空间站创造了237天的飞行纪录。礼炮7号空间站载入飞行累计达800多天，直到1986年8月才停止载人飞行。

2、前苏联和平号空间站

苏联于1986年2月20日发射入轨的和平号空间站，２０００年底俄罗斯宇航局因和平号部件老化（设计寿命１０年）且缺乏维修经费，决定将其坠毁．和平号最终于２００１年３月２３日坠入地球大气层，碎片落入南太平海域中．和平号的研究任务今后由国际太空站所取代

3、美国天空实验室

美国在1973年5月14日发射成功一座叫天空实验室的空间站，由阿波罗号飞船把宇航员送上空间站工作。在载入飞行期间，宇航员用58种科学仪器实行了270多项生物医学，空间物理，天文观测，资源勘探和工艺技术等试验，拍摄了大量的太阳活动照片和地球表面照片，研究了人在空间活动的各种现象。1974年2月第三批宇航员离开太空返回地面后，天空实验室便被封闭停用，直到1979年7月12日在南印度洋上空坠入大气层烧毁。

4、联盟号载人飞船

前苏联的空间站上天以来，一直与联盟号系列载人飞船和进步号系列货运飞船一起，共同组成轨道联合体执行载入航天飞行任务。

5、进步号货运飞船

进步号系列货运飞船执行向空间站定期补给食品，货物，燃料和仪器设备等任务。到1993年底，已发展两代，共发射进步号42艘，进步M号20艘。它与空间站对接完成装卸任务后即自行进入大气层烧毁。这种飞船由仪器舱，燃料舱和货舱组成，货舱容积6.6立方米，可运送1.3吨货物，燃料舱带1吨燃料。它可自行飞行4天，与空间站对接飞行可达2个月。

四、中国空间站展望

我国将于2010年—2011年底发射天宫一号目标飞行器，天宫一号的重量有8吨，类似于一个小型空间实验站，在发射天宫一号之后的两年中，我国将相继发射神舟8、9、10号飞船，分别与天宫一号实现对接。

我国有望于2014年用“长征五号”把中国空间站送上太空，中国最终将建设一个基本型空间站。

我国首个空间站大致包括一个核心舱、一架货运飞船、一架载人飞船和两个用于实验等功能的其他舱，总重量在100吨以下。其中的核心舱需长期有人驻守，能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。具备20吨以上运载水平的火箭才有资格发射核心舱。为此，我国将在海南文昌新建第四个航天发射场，可发射大吨位空间站。

据透露，中国的首个空间站建成后，其核心舱能够持续加舱。届时，每年将往空间站发射若干个航天器。

据了解，2008年9月25日发射的“神舟七号飞船”，作为第二阶段的第一项实验，实现了航天员的出舱行走。随后的“神八”、“神九”飞船将不再载人，旨在发射目标飞行器，实现无人对接。而之后的“神十”将再次载人上天并实现有人对接。这些飞船都是为了在太空建设短期有人照料的空间站而服务的。

第四课 中国的登月计划

一、中国的探月、登月计划

2000年11月，中国发表《中国的航天》白皮书，展开以月球探测为主的深空探测的预先研究。由此我国月球探测计划开始“浮出水面”。

近几年，中国的探月、登月计划受到世人的注重，但依然掩藏着一些不为人知的秘密。中国人何时在月球上留下第一行脚印，在这里插上鲜艳的五星红旗？何时建立月球基地？这都成了很多人急切想知道的问题。根据中国已经确定的探月工程的计划，整个探月工程分为三个阶段，第一期工程为“绕”，二期工程为“落”， 2017年实行的三期工程为“回”。

“嫦娥工程”第一期“绕月探测工程”已经结束，接下来“嫦娥工程”第二期就将很快进入实质性的阶段。2009年至2015年将进入嫦娥二期工程，届时将实行两到三次的软着陆巡视勘察，其中2012年向月面发射一个软着陆器的计划已经基本确定，按照这个计划软着陆器将携带载有摄像机和多种探测仪器的月球车，在月球表面巡视勘查，为建立月球基地收集基本数据资料。当前中国实行此项任务的技术、物资条件和经济实力都已基本具备。据悉，二期计划中采用的月球车，将采用全国招标的方式来选择，当前国内已经有10多所科研院所和高校参与了角逐。在此之后，中国将实行就是2017年“嫦娥工程三期”行动，即发射一颗月球软着陆器，这个软着陆器不但要采集月壤和岩石的样本，还要搭乘返回舱重返地球。在这个阶段中，空间机器人将会充当主要角色，在卫星维修、太空科学试验等活动中发挥重要作用。据悉，为了尽快实施机器人登月计划，国家早已经成立了第一个空间机器人的专门研究机构，即国家高技术航天领域空间机器人工程研究中心，并且空间机器人现在已经进入研制程序。

载人登月计划将会成为“嫦娥工程”的第四期工程。采用的方式是先用运载火箭将飞船送上地球轨道，随后，飞船自行移动至月球轨道，释放出登陆舱，降落在月球表面，宇航员登陆月球。活动完成后，宇航员返回登陆舱，飞离月球，与在月球轨道上等待的飞船重新对接，至此登月过程结束。

二、神州飞船

1、神舟一号

发射时间：1999年11月20日6时30分7秒 中国实施载人航天工程的第一次飞行试验，称其标志着中国航天事业迈出重要步伐，对突破载人航 天技术具有重要意义，是中国航天史上的重要里程碑。

2、“神舟”二号

发射时间：2001年1月10日1时0分3秒

是中国载人航天工程的第二次飞行试验，标志着中国载人航天事业取得了新的进展，向实现载人航天飞行迈出了可喜的一步。

3、神舟三号

发射时间：2002年3月25日22时15分 正样无人飞船，飞船技术状态与载人状态完全一致。这次发射试验，运载火箭、飞船和测控发射系统进一步完善，提升了载人航天的安全性和可靠性。飞船上装有人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备以及形体假人，能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数。这次发射，逃逸救生系统也实行了工作。这个系统是在应急情况下确保航天员安全的主要措施。飞船拟人载荷提供的生理信号和代谢指标正常，验证了与载人航天直接相关的座舱内环境控制和生命保障系统。

4、神舟四号

发射时间：2002年12月30日0时40分一场筹备了10年之久的两对“细胞太空婚礼”也将在飞船上举行，一对动物细胞“新人”是B淋巴细胞和骨髓瘤细胞，另一对是植物细胞“新人” ———黄花烟草原生质体和革新一号烟草原生质体。专家介绍说，在微重力条件下，细胞在融合液中的重力沉降现象将消失，更有利于细胞间实行配对与融合这些“亲热举动”，此项研究将为空间制药探索新方法。

5、神舟五号

发射时间：2003年10月15日9时整 航天员：中国飞天第一人杨利伟 ，“神舟”五号载人飞船返回舱内还搭载有一面具有特殊意义的中国国旗、一面北京2008年奥运会会徽旗、一面联合国国旗、人民币主币票样、中国首次载人航天飞行纪念邮票、中国载人航天工程纪念封和来自祖国宝岛台湾的农作物种子等。

6、神舟六号

发射时间： 2005年10月12日9时0分0秒 航天员：费俊龙 聂海胜携共带8类64种搭载物品，其中包括香港金利来、查氏集团等知名企业标识，搭载的生物菌种、植物组培苗和作物、植物、花卉种子则用于太空育种实验。在开舱仪式现场，6位特殊的“乘客”有机会精彩亮相，它们分别是极地考察时使用过的中国国旗、国际奥委会会旗五环旗、上海世博会会旗、《申报》百年纪念特刊、书画作品《六骏图》和10幅少先队员太空画作品。神舟六号返回舱搭载的物品还有“我给‘神舟’六号航天员写封信征文活动”特等奖作文、共和国元帅特种邮票和神舟六号个性化邮票等邮品以及书画名家的作品等。

7、神舟七号

“神七”于2008年9月25日21时10分04秒成功升空“神七”飞行员：是翟志刚、刘伯明、景海鹏。神舟七号载人飞船飞行任务的主要目的是实施中国航天员首次空间出舱活动，突破和掌握出舱活动相关技术，同时展开卫星伴飞、卫星数据中继等空间科学和技术试验。飞船运行期间，1名航天员着中国的飞天舱外航天服出舱实行舱外活动，回收在舱外装载的试验样品装置。按计划，神舟七号载人飞船从中国酒泉卫星发射中心载人航天发射场发射升空，运行在高度约343公里的近圆轨道。航天员出舱活动完成后，飞船将释放一颗伴随卫星。还将实行“天链一号”卫星数据中继续试验。神舟七号飞船完成预定飞行任务后，将返回内蒙古中部地区的主着陆场。

第五节 有趣的航天知识

你了解下面这些航天知识吗？

1. 在失重情况下航天员是否很难进入睡眠状态？

这是个值得讨论的问题，因为影响睡眠的原因有很多。首先，要分航天员在太空的工作是一班制还是二班制。在国际空间站和绝大部分航天飞机上，所有的航天员都是同时睡觉，他们将睡袋挂在自己喜欢睡的地方，如墙上、墙角、天花板上等等。当航天员实行倒班工作制时，像包括空间实验室在内的一些航天飞机上，航天员睡在一个小的铺位上，将它关闭后，能够隔绝工作室传来的噪音。开始，航天员有些不安的感觉，觉得自己躺在一个狭窄的鞋盒中，而且绝大部分航天员出现10-15秒的背部感到舒适的错觉。不过，当你打算睡觉的时候，你需要习惯你的背部和侧面没有感觉，事实上你是在睡袋中漂浮着，仅仅用绳子将你倒挂着，因而那种使得你昏昏欲睡的重力感觉是不存有的，也有些航天员对此还不太适合。他们毫无睡意，紧张得必须吃安眠药才能睡着。另一些人即使是在这种特殊环境下也能睡得很香。需要补充的是：如果睡觉的时候你的头部处在不通风的地方，呼出的二氧化碳会聚集在你的鼻子附近，当你血液中的二氧化碳达到一定水准的时候，脑后部的一个报警系统就会发出警告，使你惊醒，会感觉呼吸急促。这时，你走几步或换个地方，又能够沉睡了。

2. 航天员在太空中穿衣服时会有什么特殊的感觉吗？

航天员的航天服除了在舒适性和安全性上有特殊要求以外，通常和我们在地球上穿的没什么差别。例如，衣服必须由防火材料制作。当在失重情况下穿航天服的时候，航天员实际上就是在衣服内漂浮，只有当衣服碰触到肌肤的时候，才会感到是穿着衣服。

3. 太空中漂浮很有意思么？

航天员们都认为一旦适合微重力环境后，在太空中漂浮是非常有趣的。顺便说一下，科学家们不喜欢将微重力称为零重力，这是因为除非你正好站在围绕地球做自由落体运动太空船的中心位置，此外你就不可避免的受到来自微小的加速度和潮汐的影响，即使它们的作用很小，只有地球引力的百万分之一，我们也不能认为它是无重力或0重力。这就是我们为什么称之为失重的原因。

在微重力环境下生活是很有趣，不同人的感觉也不同。第一次参加太空飞行的航天员，在进入太空后的头两三天，约有30%-40%的人出现“空间适合性综合症”（它是运动病中的一种），其他人不会出现这种症状。血液流向上身，使鼻窦和舌充血，影响人的感觉，一周左右的时间，航天员体内就会出现适合失重的反应。在失重情况下，脊椎因为没有重力的作用而变长了，使得人变高了（长高1-2英寸）。在失重情况下，当所有的肌肉放松的时候，就会出现大腿轻轻的向上抬起，胳膊向前方舒展开，身体略微弓着，仿佛是在水中一般。因为没有“上”或“下”的感觉，需要依靠别的标志来确定“上”和“下”，在航天飞机内部设计时，考虑用天花板和地板的不同来定位。

在微重力的情况下，航天员常常产生错觉。当航天员告诉自己的大脑哪个方向是“上”，它立刻会认为那是错觉。这样，在太空定位、转移或运动等感觉与在地面上不一样。在太空行走是非常轻松的，航天员很快就习惯到处行走和用固定足的方法将自己固定在空间站上。穿上航天服在太空中行走变得困难得多，这是因为工作服体积大，就像套上一个气球，视觉和触觉都受到了限制。

4. 你能够穿多长时间的航天服？

一般能够穿5-7小时。当然也要视航天服的中的可消耗材料的情况，例如氧、电量、冷却水等。航天服简直就是小型太空船，穿航天服工作是很辛苦的。穿着的时间也与穿着者对舒适性和耐磨性要求相关。

5.如果在太空中遇到骨折或重病如何处理？

幸运的是，美国宇航局上天的120名航天员从来没有碰到这种情况。在早期曾发生过阿波罗13号航天员佛瑞德尿感染的问题及小规模的流感的问题。太空船上总会带上充足的药品以应付这些突发事件。一旦在围绕地球飞行过程中发生意外，不管是在航天飞机上或在国际空间站，都要以最快速度将航天员送回地球。美国宇航局也为国际空间站开发了一个大型的七人座的返回舱，是为在特别情况下作为“太空救护车”使用的。如果发生骨折，在太空船上也准备了固定骨骼的器材。当人类出发进入外太空，比如在探险火星的时候，太空船上将携带医疗设备，有一名或多名航天员是经过良好的医学知识训练的，他们能够实行救护和治疗。因为在这种情况下，短期内返回地球是不可能的。可能情况下，飞船上将配备经验丰富的医生。

6. 空间站能够能容纳多少人？

国际空间站最多能容纳7名航天员。航天员的人数从开始的3人增加到6人，到2003年增加到7人（但现在因为空间站上资源的问题，只有3名航天员在空间站上－译者）。当然，在一次意外中不可能所有的工作人员都立刻返回。这就是美国宇航局为什么要改进返回舱，以便比俄罗斯联盟号太空船能够容纳更多人员的原因。

7. 空间站上的航天员在太空中是怎样打发业余时间的？

他们根据自己的不同喜好，各有偏重。在飞行中，他们能够各自选择自己喜欢的娱乐。有的能够利用膝上型电脑看书或给家人发邮件，有些人在听音乐或玩游戏，再有些人就是与地面的亲友打电话或与其他同事聊天。不过绝绝大部分航天员在刚进入空间站时，绝大部分业余时间是站在窗旁，眺望宇宙和注视着地球从空间站下消失。

8. 国际空间站的航天员是如何挑选出来的？你对此有何看法？

任何身体状况良好，符合航天员基本要求的成年男女都能够被选拔出来参加航天员训练。要成为国际空间站的任务专家或航天员，最低要求是至少获得一所国家承认院校的工程、自然科学或数学学士学位，在这个领域有三年以上相关工作经验，更高的学位将更合适。航天飞机驾驶员至少要有1000小时的喷气式飞机的飞行经验，其视力要比专家好。竞争是相当激烈的，每两年平均有4000名申请者角逐20个名额。定期征募航天员。

9. 你们是如何绘制太空图的？如何知道应该往哪个方向前进？

让我简单介绍一下，要完全理解这个复杂的问题不是一件容易的事情，因为你确实需要进入大学实行系统的学习。最基本的是你需要知道宇宙是由三个空间构成，所以你应确定自己在这三个轴构成座标系统中的准确位置。在天文学领域，航天员是用方位角、海拔、赤经、距离和时间来绘制太空图的。

在太空飞行的时候，我们的三个座标定为X、Y、Z。然后所有的人都有一致的参照系统，即座标系统的位置和方向，以此来实行测量和定位。一般这个系统以地球中心为原点。Z轴向上，X轴和Y轴在同一平面上。有时候能够假设它是随着地球旋转，有时候它是固定在太空中。这套“参考系统也能够装载你的便携电脑上。

太空船（还有所有现在的大型飞机上）都安装了一套导航系统，能够知道在它的三个坐标附近的飞行物的运动，持续地计算飞船相对与参照系统的变化。当然，通过看所指定的靶，也能够预测其前往的方向。而且很快的，你就知道你在什么方位和前往的地方，如果偏离了设定的航线，还能够考虑实行相对应的调整。

10. 航天员在太空中使用什么样的餐具吃饭？它们有什么不同吗？

航天中使用的是普通的餐具，像刀、叉、勺，与地球上使用的相同。航天员吃的绝大部分食物和饮料能够放在容器里。不同的是，当要吃这些食物时，它们会漂浮出来。一些食物，像在制备豌豆、豆等时要加入沙司，这样它们就会粘在餐具上。食物有热菜、凉菜或冷冻的。饮料是装在一些可压挤的瓶子中，像运动饮料瓶。但是有些事情航天员很难适合，他们常抱怨在长时间的执行任务中，无法得到新鲜的蔬菜和口味清新的咖啡。顺便提一下，在俄罗斯的和平号空间站，一旦运输的航天飞机到达，就能够得到像西红柿这样的新鲜水果和蔬菜。美国航天员Shannon Lucid说，他们经常和俄罗斯航天员联欢。也许几年后，在国际空间站和火星探险队里将能吃到新鲜蔬菜。当前还无法保证提供口味清新的咖啡和汽水，但至少有一家软饮料公司已经开始开发一种在失重状态下使用的容器。此外，在航天中因为体液的转移，使航天员的味觉和嗅觉发生改变，在轨航天员经常挑选味重的食物。

11．航天员在国际空间站要待多长时间？

绝大部分航天员在国际空间站要连续呆90天——那是当前航天员计划的“轮岗”平均时间。有些人因为各种原因提前回来，另外一些人可能会待很长时间，特别是当要为人类探索火星提供依据，要长时间飞行以便对航天员的生活和工作实行医学研究时。值得一提的是，在太空停留时间最长时间的是一名俄罗斯内科医生Valery Polyakov博士，他在1994年创造了这个记录，在空间站停留438天（14 1/2个月），在此之前是1988年创造的241天飞行记录。美国人在太空生活最长的时间是188天，也是女性航天员的世界记录，它是由Shannon Lucid博士创造的。

12.为什么地球有重力而在太空却没有？

太空中是有重力的，但我知道你不是指这个。能够这样解释：重力的生成与质量相关。质量是以非常特殊的方式对太空产生影响（爱因斯坦会说，质量使太空弯曲。）这种作用是由艾萨克?牛顿发现的、被我们称为万有引力的力量来传递的。根据我们的观察万有引力学说是准确的。如果不是这样的话，阿波罗登月计划就无法实现。同样，一个物体地心引力的减少是与物体间距离的平方根成正比的。在地球上，物体质量所产生的重力，表现出像一个“压力”作用在与地面接触的物体上，我们称之为“重量”。当没有这种接触的时候，举例来讲，在地球轨道上，飞行器没有直接与地球接触，也就没有重力。但是太空船仍然有质量，就会产生自身的重力区（当然对于小型的航天飞机就没有重力了）。也就是说在太空中所有具有重大质量的中心的星体，像太阳、地球和其他行星，都是有地心引力的。牛顿也发现在没有加速度作用的情况下，真空中的物体能够永不停歇的沿直线运动。但是，一个物体，例如空间站，有地球拉着它时，使它在地球轨道上运转时，不能认为是处于“失重”状态；这样，在轨道上运行的空间站所出现的“失重”，并不是地心引力作用不存有，而是重力作用对它的作用消失。一旦有了阻力，大气阻力、发动机动力、旋转产生的离心加速度等等，失重现象就不见了。

13. 航天飞机发射时是什么感觉？

在发射台上，因为座舱的方向和位置，航天员们是背靠背、脚朝上(航天医生规定了他们发射前处于这种状态的时间)。在舱门关闭和所有的最后检查工作已经完成后，航天员在心里默默期待着发射，在脑海中再一次回忆在过去的几年中所培训的操作程序。例如，他们上方的所有橱柜是否锁好？眼前的提示卡提醒你在紧急情况下应采取什么措施？最后倒计时到6秒，三个液态火箭推动器点燃。当航天飞机前后晃动5英尺时，你能够很明显的感到它的晃动，这时，轨道器强烈的摆动和振动起来。但是航天员听不到任何发动机发出的雷鸣般的轰响。然后计数到零，头盔上的无线设备中传来指令：“点火、升空。”两个固态燃料火箭推动器点火，航天飞机开始冲向太空。这时候你不会感觉非常明显的加速度，与飞机起飞时的感觉差不多。火箭推动器内的燃料不是均匀地燃烧，推动过程中颠簸得厉害。整个座舱就像汽车以最大速度在鹅卵石上飞驰一样颠簸不停。一旦推动器点着，在燃料燃尽前它们是不会停下来的。在起飞后两分钟，航天飞机排空了的容器开始脱落，噪音没有了，每个航天员不适感大为减弱。三个液态推动器的发动机里的燃料继续燃烧，发出嗡嗡声，当燃料烧尽后，航天飞机变轻了，继续保持加速度。（因为根据牛顿学说，加速度等于质量的平方。）在升空7.5分钟时，外部的巨大容器内的燃料已经烧掉90%，航天飞机在起飞时的重量达到2000吨，而现在不到200吨，压力已经达到3g——是地球重力的3倍。发动机减速到3g’s。在这个加速度，穿着沉重航天服的航天员，呼吸变得非常困难，会下意识的呼吸和挺胸。

最后，主发动机关闭。几秒钟内，发动机的推动力降到零。航天员会突然间感到胸口的压力消失了，并有种失重感，此时，航天员已经在太空中。

14. 为什么我们要建空间站？它有什么用途？

我们国家提出在地球轨道上建永久的平台有很多的理由，而且通过与其他国家的国际合作能够使我们受益非浅。

空间站提供了一种全新的提升人类生活水平的方式。现在每个人都应该知道在地球轨道上，太空提供了很多非常有用的、在地球上找不到的环境，例如失重、高真空、高温、极冷、极热、未经过滤的太阳光和能够看到地球的全貌和环境，以及用天文望远镜观察不被充满空气、云彩和污染物的大气层所阻挡的宇宙。

这些特殊的环境，能够使我们在那里实行人、动物、植物等的科学研究，得到重大的科技创新。它们也带来了新的医学突破、科技发展、新的工业产品、新的药品和很多其他的有助于我们国家保持领先地位的新的机遇和挑战。当然了，这也使我们的经济、工业、贸易和商业更具竞争优势，也创造了新的工作、知识和财富。

因为空间站能够在太空中停留很长时间，使我们能够长时间的利用这么多的太空资源，而航天飞机在太空中最多只能停留14天。空间站也能够提供更多的电能、更大面积、更多的工具和其他设备、简直就像地面上的一个大型的研究基地，产品发展中心和技术示范中心。在长时间的飞行中，空间站也能够成为人类更好地探索外太空的太空发射场、跳板和以23，000英尺/秒速度移动的发射平台。

15．要成为一名航天员在体质方面的要求是什么？

除了健康的身体以外没有特殊的要求。无论男女只要符合这些要求以及我在问题8所给出的基本资格条件，就能够申请成为候选人参加航天员训练。

16. 航天服有什么不同寻常的特点？

航天服简直就是小型的太空船，它需要保证航天员在舱外活动时的健康和连续工作的需要。因为在太空中没有气压，没有氧气维持生命，人类必须有适合他们生存的环境。和航天飞机工作舱内的空气一样，航天服中的空气也是能够控制和调节的。这样，航天服的主要功能必须为呼吸提供氧气，同时要维持身体周围的气压稳定，并使身体内血液处于液态状态。在真空或非常低的气压状态时，身体中的血液就会像高山顶上的热水一样沸腾了。航天飞机上配备的航天服能够承受每英尺4.3磅的压力，这仅是正常大气压的三分之一（每个大气压等于14.7 psi）。因为航天服内的气体是100%的氧气，而不像我们在地球的大气层只含有20%的氧气，穿上航天服的航天员要比那些在海拔10，000英尺的高山或身处海平面没有穿航天服的人呼吸到更多的氧。在离开太空船去太空工作之前，航天员要呼吸几个小时的纯氧。这是去除溶解在血液中的氮和防止当气压下降时释放出气泡的必要程序，这种情况通常称为潜水减压病。

另一方面，如果在正常大气压下呼吸纯氧过长，它就会变成对人体有害的气体。这种吸氧排氮对航天员来讲是过度的、毫无益处的和令人厌烦的等待，确实是件麻烦事，我们将航天服的内部气压设计为8.3 psi，这样能够缩短吸氧排氮的时间。航天服必须具有保护航天员免受致命伤害的作用，它除了能够防止微流星体的撞击外，航天服也要避免航天员受到太空温度极限的伤害。没有地球大气层来过滤阳光的辐射，朝向太阳的一面温度可高达250度，背向阳光的一面，就在零下250度。

航天服的主要特点是：除了靴子和手套有多层结构外，背面有生命支持系统，胸部是显示控制模块，还有就是为太空漫步者和处理紧急情况而设计的装备，特别是备用的供氧系统。这些组合成一个被称为EMU的集合体（舱外机动装置），它能够实现不同子系统之间的自由转换，无论是在正常情况下或紧急情况下都能够容易和安全地连接。还有一些特殊装置：尿液储存器，在返回航天飞机或空间站以后将尿液输送到废物处理系统；有一个网孔状的弹性纤维制成的液体冷却和通风服，衣服前面的入口处有拉链，它6.5磅重；内衣中的冷却管内，水在不停流动着，使航天员穿上时感到很舒服。安装冷却管的原因是因为衣服内是纯氧层，它不可能像在普通空气中那样提供充足多的冷气。还有就是可装21盎司的内衣饮水袋，“探测帽”或通讯载体组合装置，供双向通讯的耳机和麦克风及预警和报警装置，及生物医学探测子系统。

在太空行走的时候，航天员绑上在地面重达310磅的单人机动装置（MMU），一个单人的氮推动器背包，它固定在航天服携带式生命保障系统上。航天员利用可调控旋转和平移的手控制器，能够准确的飞入或围绕航天器货船入坞码头运动，或自由的进入航天飞机或空间站附近的有效载荷或建筑内，也能够到达其它很多似乎遥不可及的外部区域。航天员穿着被称为“太空自行车”的MMU’s，在发射、服务、保养和找回人造卫星方面发挥了很大作用。

17．航天服是用什么材料制成？它们是怎么制作的？

我们通用的航天服/ EMUs有12层夹层，每个都有其特殊的用途。从里层开始看，最里面的2层是冷冻液体构成的贴身内衣，材料是内缝管状塑料的弹性纤维，下一层是涂有尼龙的球胆层，外面包了一层达可纶织物。下面7层是防热和小陨石的保护层，由铝化的迈拉和层压的达可纶棉麻织制成。这七层的衣服外面是一层化合织物。

18. 美国第一位两次进入太空的航天员是谁？

第一位两次进入地球轨道的美国人是戈登?库铂。第一次飞行：1963年5月15-16日，驾驶水星9号飞船，历时1天10小时20分钟。第二次飞行：1965年6月3-7日和皮特?康拉德一起驾驶双子座5号，历时7天10小时2分。实际上格斯?格里森是第一个两次乘坐火箭进入太空的美国航天员。但在1961年7月21日，他第一次飞行驾驶的“自由钟”仅仅是亚轨道飞行的飞船，带着他沿抛物线飞行15分钟，高度是190公里，有五分钟处于失重状态。然后又开始了他的第二次飞行，这次他进入了地球轨道，在1965年3月23日，他和约翰?杨一起乘坐双子座3号绕地球三圈。顺便提一下，这次飞行将第一台电脑带入太空：它是每秒可运行7000次计算的小型计算机。格里森用它来计算地球轨道的变化。从那时起，航天员能够真正的飞越太空，而不是只沿着固定的轨道环绕地球飞行。

19．哈勃太空望远镜可能替代国际空间站么？

哈勃太空望远镜离国际空间站还有很大距离，首先它的轨道倾斜度是28.47度（国际空间站是51.6度），其次它的平均海拔高度是590公里。