讲座稿：航天科普知识

物理与航天知识简介长乐市教师进修校郭纪萌2011年1月10日主要内容：三、人类对太空飞行的不懈追求一、人类对太空结构的不断认识二、人类对太空天体运行规律的认识四、中国现代的探索太空之路1、人造地球卫星系列的发射2、地球同步卫星4、神舟飞船系列3、北斗卫星导航系统5、嫦娥系列6、军事航天1、中国古代的宇宙论（1）盖天说：出现于周代，主张“天圆如张盖，地方如棋局”的天圆地方说。（2）浑天说起于战国时期，“天地之体，状如鸟卵，天包于地外，犹卵之襄黄，周旋无端，其形浑浑然，故曰浑天。其术以为天半覆于地上，半在地下，其南北极持其两端，其天与日月星宿斜而回转。”一、人类对太空结构的不断认识2、托勒密的地心宇宙3、哥白尼的日心说波兰哥白尼1543年《天球运行论》提出了日心说。对宇宙的看法从主观、神秘、原始，上升到近代、客观、合理。触犯宗教教条，引起强烈反对与仇视。由于宣扬日心说，布鲁诺烧死罗马广场。伽利略被宗教审判并处终身监禁，后被平反。太阳星系满天星斗循环往复、东起西落，是什么力量使日月星辰有着这样的运动规律？银河星系2006年8月24日，在布拉格召开的国际天文学联合会上，天文学家投票“驱逐”了冥王星。行星和太阳系中的其他天体定义为三类，即行星、矮行星和“太阳系小天体”。“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。同样具有足够质量、呈圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体的天体被称为“矮行星”，如冥王星。其他围绕太阳运转但不符合上述条件的物体被统称为“太阳系小天体”。1、天体分类二、人类对太空天体运行规律的认识2、牛顿设想（牛顿的苹果猜想）卫星运行遵从的规律是：卫星绕地球做圆周运动，地球对卫星的万有引力（F=GMm/r2）提供向心力。地面上的物体，怎样才能成为人造地球卫星呢?航天器上为什么有失重环境？正是因为重力（万有引力）部分或完全用来提供向心力，重力好象消失了一样。（1）第一宇宙速度：v=7.9km/s(地面附近、匀速圆周运动）（2）第二宇宙速度：大于或等于11.2km/s时，卫星就会脱离地球的吸引，不在绕地球运行，而绕太阳运行。11.2km/sv7.9km/sV3=16.7km/s（3）第三宇宙速度：等于或大于16.7km/s，卫星将摆脱太阳引力的束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去。3、天体环绕与运行速度V1=7.9km/s地球V2=11.2km/s4、开普勒的椭圆轨道（1）开普勒第一定律：行星围绕太阳运动的轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。（2）开普勒第二定律：行星的矢径单位时间扫过的面积是常数。（3）开普勒第三定律：行星轨道半长轴的立方和周期的平方之比对所有的行星都相同。如果用R、T表示半长轴和周期，这条定律的数学表达式就是R3/T2=k。对所有的行星都相同。图1s图2υrR远古人们就梦想飞出地球探索星空的奥秘。嫦娥奔月是广为留传的民间神话，体现了人类了解自然奥秘的渴望。三、人类对太空飞行的不懈追求1、中国古代对太空飞行的探索与贡献明初，燕王朱棣与建文帝战于白沟河，当时水战中使用的一种叫“火龙出水”的火器。据《武备志》记载，这种火器可以在距离水面三、四尺高处飞行，远达两三里。用竹木制成，腹内藏数支小火箭，大“起火”点燃后推动箭体飞行，“如火龙出于水面。”火药燃尽后点燃腹内小火箭，从龙口射出。击中目标将使敌方“人船俱焚。”这是世界上最早的二级火箭。物理课本图《武备志》还记载了“神火飞鸦”等具有一定爆炸和燃烧性能的雏形飞弹。“神火飞鸦”用细竹篾绵纸扎糊成乌鸦形，内装火药，由四支火箭推进，它是世界上最早的多火药筒并联火箭，它与今天的大型捆绑式运载火箭的工作原理很相近。物理课本图俄罗斯S-400多弹头导弹头中国古代的玩具“竹蜻蜒”火箭的发展，使人产生了利用火箭的推力飞上天空的愿望。根据史书记载，14世纪末，明朝的一位木匠万户坐在装有47个当时最大的火箭的椅子上，双手各持一个大风筝，试图借助火箭的推力和风筝的升力实现飞行的梦想。尽管最后他付出了生命的代价，但却成就了人类首次载人航天的勇敢尝试。2、1957年10月4日世界上第一颗人造地球卫星发射成功.①世界上第一颗人造地球卫星,震惊了世界。（1957年10月4日）——前苏联②太空旅行的第一人:尤里·加加林（1961年4月12号）——前苏联③太空行走第一人：列昂洛夫(1965年3月18日)——前苏联④登月第一人:尼尔·阿姆斯特朗(1969年7月21日阿波罗11号飞船)——美国⑤1981年4月12日美国首架“哥伦比亚”号航天飞机试飞成功。使机上7名航天员全部遇难，其原因是航天飞机起飞时遭到外力撞击，结果导致防热瓦上出现裂缝，使得超高温气流乘虚而入，最终造成飞机解体。⑥2003年2月1日，美国“哥伦比亚号”航天飞机返回地面时在空中解体对接⑦2001年3月23日14时，俄罗斯“和平”号碎片已经完全坠入位于新西兰与南美洲之间的指定的南太平洋海域。烧毁3、航天器和空间应用系统的种类东方红一号四、中国现代对太空飞行的探索与发展1、中国首枚人造地球卫星（1970年4月24日）1、人造地球卫星系列的发射人造卫星系列▲什么是地球同步卫星？2、地球同步卫星地球同步卫星的四个“一定”：(1)周期一定：T=24h。(2)轨道平面一定：赤道平面。(3)高度一定：h=r-R地=35800km。(4)运行速度一定：Ｖ＝3.08km/s。▲哪些属于地球同步卫星？鑫诺一号、鑫诺二号、鑫诺三号、鑫诺六号、东方红三号通信卫星、中星六号通信卫星、中星九号通信卫星、风云一号气象卫星、风云二号气象卫星、北斗导航系列卫星，等等。▲太空有限资源：为了卫星之间不互相干扰，大约3°左右才能放置1颗，这样地球的同步卫星只能有120颗。可见，空间位置也是一种资源。▲中央台报道：北斗卫星导航工程2012年覆盖亚太2020年覆盖全球3、北斗卫星导航系统神舟一号（无人）１９９９年１１月２０日神舟二号（无人）２００１年１月１０日神舟三号（无人）２００２年３月２５日神舟四号（无人）２００２年１２月３０日神舟五号（载人）杨利伟2003年10月15日神舟六号（载人）费俊龙、聂海胜2005年10月12日神舟七号（载人）翟志刚、景海鹏、刘伯明2008年9月25日4、神舟飞船系列（1）回顾神舟发展历程1999年11月20日，我国发射了“神舟”1号飞船。2003年10月15日，我国首次发射了“神舟”5号载人飞船。前苏联／俄罗斯和美国之后第三个能够独立开展载人航天活动的国家。（2）神舟的发射①逃逸塔（2）神舟飞船的结构与组成②逃逸助推火箭③推进舱：即动力舱，为飞船在轨飞行和返回时提供能源和动力。轨道舱：航天员生活和工作的地方。返回舱：飞船的指挥控制中心，航天员乘坐其上天和返回地面。（3）航天员工作装备与日常生活①工作装备②航天员在太空吃什么？③航天员在太空如何吃饭？④航天员在太空如何上厕所？（4）①②③④⑤⑥⑦⑧⑨降落伞--飞船安全返回的“保护伞”降落伞面积有1200m2，半个足球场大小，80多m长，相当于一座26层高的大楼。制伞用的布料薄如蝉翼，伞重量仅有90多kg，做伞筋用的布带可以耐住100℃以上的高温。经减速伞减速，返回舱的速度从每秒150～200m减至每秒80m，最终下降到每秒6～8m。我国的飞船主要依靠表面烧蚀材料,是由玻璃纤维增强的酚醛塑料或环氧树脂，它们在高温高压气流冲刷的条件下，发生热解、气化、升华、熔化、辐射等作用，通过材料表面的物质损耗而带走大量热，从而达到耐高温和保护飞船内部的目的。5、嫦娥系列（1）嫦娥一号探月卫星2010年10月1日，中国探月二期工程先导星“嫦娥二号”在西昌点火升空，准确入轨，赴月球拍摄月球表面影象、获取极区表面数据，为嫦娥三号在月球软着陆做准备。（2）嫦娥二号探月卫星（3）两代嫦娥探月比较图②γ射线谱仪、X射线谱仪（4）嫦娥二号的两大功臣①CCD立体相机为了寻找月球上的资源；对这么多种元素进行测量，世界尚属首次。如果取得成功，那将是中国航天史上的一大奇迹！嫦娥一号的第一轨原始数据。左侧图像为CCD相机拍下的前视、正视、后视图片CCD拍摄效果图6、军事航天中国歼20隐形战斗机已于2011年1月11日中午12时50分左右进行首次升空飞行测试，13时11分成功着地。整个首飞过程是在歼10S战斗教练机陪伴下完成的，取得成功。(1)中国歼20隐形战机首飞成功上尾翼360°旋转，灵活度强。人可以在飞机上踩，隐身涂料内置，维护成本大大降低。J20可执行六大战略任务：远程/持续拦截任务、远程空战和护航任务、战区攻击任务、电子攻击任务、反卫星武器发射平台。J-20与T-50、F-22、F-35有一比。（2）中国空天飞机已成功试飞2011年01月10日08:18陕西电视台：中国官媒曝中国空天飞机已成功试飞与美国X-37B空天飞机同步。中国空天飞机的近距离图片（视频截图裁切放大）。中国选择此时连续曝光四代战机、“神龙”、先进固体导弹等一批国之利器，确实耐人寻味。美国X-37B空天飞机：飞行速度达到音速的9.6倍，约11700kg/h,可从普通机场起飞，可在1至2个小时内到达全球任何一个地方，能对全球范围发生的地区冲突迅速作出反应。号称2个小时打遍全球！美国X-37B空天飞机。2010年4月22日上演首航。中国的“跨大气层飞行器”与之很相似，如整体造型，前端陶瓷防热材料等。主要差异是中国的空天飞机机身厚度较小，容载体积不如X-37B；美国X-37B为V型倾斜双垂尾，中国的为垂直单尾翼。中央电视台军事节目披露的轰-6投掷空天飞行器图像。在2007年1月中国外层空间试验之后。2007年12月，又一种神秘飞行器的图片被上传到互联网，该飞行器由轰-6挂载，其表面涂有五星红旗标志和“神龍”（神龙）字样，这意味着它可能是一个与“神舟”载人飞船、“神威”高性能计算机、“神光”高能激光等处于一个级别的国家级科学工程。结束语：仰望天空一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望；一个民族只是关心脚下的事情，那是没有未来的。我们的民族是大有希望的民族！我希望同学们经常地仰望天空，学会做人，学会思考，学会知识和技能，做一个关心世界和国家命运的人。——温家宝谢谢大家！