北大太空探索課件02探索太空-4載人航天

1、內(nèi)容提要一、載人航天的類型二、載人航天的發(fā)展歷程三、載人航天的科學(xué)、商業(yè)和軍事應(yīng)用一、載人航天的類型載人飛船航天飛機(jī)空間站載人飛船能保障航天員在外層空間生活和工作以執(zhí)行航天任務(wù)并返回地面的航天器。試驗(yàn)各種載人航天技術(shù)為空間站接送人員和運(yùn)送物資科學(xué)試驗(yàn)航天飛機(jī) 有人駕駛、可重復(fù)使用，能在大氣層和外層空間穿梭飛行執(zhí)行各種任務(wù)的航天器。結(jié)構(gòu)軌道器外燃料箱固體火箭推進(jìn)器 起飛重量2041噸，發(fā)射結(jié)束后重104噸，有效載荷28.8噸.軌道器結(jié)構(gòu)機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、操縱舵面和起落架駕駛艙、貨艙和主發(fā)動(dòng)機(jī)艙長37.23 米外燃料箱裝有液氧和液氫推進(jìn)劑，向主發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。長47米，直徑8.4米，凈重35.4噸

2、，推進(jìn)劑重719噸。外表有厚2.5厘米的熱防護(hù)層，保持液體推進(jìn)劑的溫度、防止表面結(jié)冰。固體火箭推進(jìn)器高45.5 米，直徑3.7米，每枚重590噸，其中推進(jìn)劑重500噸，是目前最大的固體推進(jìn)火箭。兩枚固體助推火箭的重量占起飛總重量的60 發(fā)射2分鐘后（67 km高度 ）固體火箭與軌道器分離，用降落傘在海上回收航天飛機(jī)用途發(fā)射人造地球衛(wèi)星、貨運(yùn)飛船、載人飛船甚至小型太空站；還可以完成一般航天器所沒有的功能，如向近地軌道施放衛(wèi)星，向高軌道發(fā)射衛(wèi)星，從軌道上捕捉、維修和回收衛(wèi)星等。 正在服役 已停役的發(fā)現(xiàn)號(hào)亞特蘭蒂斯號(hào)奮進(jìn)號(hào)挑戰(zhàn)者號(hào)，1986年1月28發(fā)射過程中爆炸哥倫比亞號(hào)，2003年2月1日返回時(shí)

3、解體 ?？臻g站能在太空長期停留的航天器。空間站一般在太空逐步組裝建造;通常由中心構(gòu)架、對(duì)接艙、氣閘艙、軌道艙、生活艙、服務(wù)艙、專用設(shè)備艙和太陽能電池陣列板等組成 二、載人航天的發(fā)展歷程第一艘載人飛船第一次空間行走第一次空間對(duì)接第一次載人登月第一個(gè)空間站第一架航天飛機(jī)第一艘載人飛船“東方1號(hào)”（Vostok-1）前蘇聯(lián)于1961年4月12日發(fā)射成功；飛船軌道：近地點(diǎn)169 km. 遠(yuǎn)地點(diǎn)315 km. 軌道傾角65.0 度；軌道周期： 89.3 分鐘；從發(fā)射到返回歷時(shí)108分鐘；飛船質(zhì)量： 4,725 kg. 東方號(hào)飛船在載人飛行之前，曾做過5次裝載狗、模擬人設(shè)備和其他生物試驗(yàn)儀器的飛行試驗(yàn)。1

4、960年10月24日，在準(zhǔn)備發(fā)射新式火箭時(shí)發(fā)生了爆炸，包括戰(zhàn)略火箭總司令在內(nèi)的數(shù)十人喪命。加加林（Gagarin)1934年3月9日生，1955成為空軍飛行員； 1964年4月14日被授予蘇聯(lián)英雄稱號(hào)，以后又獲得列寧勛章；1968年3月27日在飛機(jī)演習(xí)飛行中因故喪生。第一位女航天員捷列什科娃生于1937年3月6日，是一位拖拉機(jī)手，曾參加跳傘俱樂部；1963年6月16日乘“東方6號(hào)”進(jìn)入太空，在軌道上運(yùn)行了70小時(shí)50分鐘，繞地球48圈。2003年訪問了中國.第一艘多人飛船1964年10月12日，前蘇聯(lián)發(fā)射了“上升1號(hào)”(Voskhod1)飛船，在該飛船上有3名航天員，在軌道上運(yùn)行了24小時(shí)17

5、分鐘，繞地球16圈返回。該飛船是首次載科學(xué)家繞地飛行的航天器。上升1號(hào)是世界上第一艘多人飛船，是蘇聯(lián)的第二代載人飛船，共發(fā)射2艘。上升1號(hào)”飛船上的3名航天員第二代飛船“上升1號(hào)”第一次太空行走1965年3月18日，前蘇聯(lián)發(fā)射了“上升2號(hào)”飛船，該飛船有兩名航天員，別列亞耶夫空軍上校和列昂諾夫空軍中校。列昂諾夫在艙外空間環(huán)境中行走了10分鐘，成為太空行走第一人。列昂諾夫在1975年7月15至20日還參加了“聯(lián)盟”飛船與美國“阿波羅”飛船的對(duì)接和聯(lián)合飛行。月球背面的一座環(huán)形山以他的名字命名，他曾到中國訪問過。蘇聯(lián)從發(fā)射第一艘飛船到實(shí)現(xiàn)太空行走用4年時(shí)間.列昂諾夫第一次空間對(duì)接1969年1月14日

6、，蘇聯(lián)發(fā)射載人飛船聯(lián)盟4號(hào)（Soyuz-4），1月16日與聯(lián)盟5號(hào)對(duì)接成功，第一次實(shí)現(xiàn)了兩艘飛船在太空對(duì)接飛行；蘇聯(lián)從發(fā)射第一艘飛船到空間對(duì)接用8年時(shí)間.聯(lián)盟飛船系列第一代：聯(lián)盟111號(hào)（19671971），最多可攜帶3名不穿航天服的航天員 第二代：聯(lián)盟1240號(hào)（19731981）。機(jī)組人員在整個(gè)飛行過程中可以穿航天服，但要減少一名成員。聯(lián)盟號(hào)飛船的兩起事故1967年4月24日，聯(lián)盟1號(hào)返回時(shí)，降落傘沒有打開，航天員科馬羅夫被摔死；1971年6月30日，三名航天員乘聯(lián)盟11號(hào)返回，但未穿航天服。因返回艙空氣泄露導(dǎo)致三人死亡。第三代：聯(lián)盟T型飛船（T215，1980-1986）具有自動(dòng)對(duì)接能力

7、，提高了對(duì)接的可靠性；使用了更高推力和機(jī)動(dòng)能力的組合發(fā)動(dòng)機(jī)，具有再次對(duì)接能力。采用了新型殼體材料、新式降落傘系統(tǒng)。能攜帶穿航天服的3名航天員。第四代：聯(lián)盟-TM 飛船（T1T34，1986-2003）主要用于與和平號(hào)空間站對(duì)接；2000年4月4日發(fā)射的 Soyuz TM-30 是最后與和平號(hào)對(duì)接的飛船，此后， Soyuz TM用于與國際空間站對(duì)接；到2002年4月25日，已經(jīng)有4艘聯(lián)盟TM飛船與國際空間站對(duì)接。 “進(jìn)步”貨運(yùn)飛船從1978年起，蘇聯(lián)將“聯(lián)盟”飛船改裝成專門的貨運(yùn)飛船，即去掉了生命保障系統(tǒng)，降低了成本；每次可為空間站送去2噸物資；2001年，新型貨運(yùn)飛船“進(jìn)步”M1投入使用，貨載

8、量大大提高，與空間站間的無線電通信距離擴(kuò)大到30公里。第五代：聯(lián)盟-TMA (2003 )用于同國際空間站對(duì)接；航天員所占的空間變大，可以運(yùn)送個(gè)子更高、體重更大的航天員；左右兩側(cè)的航天員體重相差45公斤也能在降落時(shí)保持平衡，以提高航天員返回著陸時(shí)的安全水平改進(jìn)了座椅結(jié)構(gòu)、降落傘、操縱模塊和呼救信號(hào)裝置等。衡量飛船水平的標(biāo)準(zhǔn)安全性對(duì)接的可靠性與再次對(duì)接能力科學(xué)實(shí)驗(yàn)水平與在軌壽命航天員感覺的舒適度聯(lián)盟-TMA飛船現(xiàn)狀技術(shù)先進(jìn) 一船挑起大梁囊中羞澀 一年只飛兩趟美國的載人飛船“水星”號(hào)飛船“雙子星座”飛船“阿波羅”飛船“水星”號(hào)飛船(Mercury)美國的第一代載人飛船；重量一般在1.35噸左右，在

9、海上回收；水星系列共發(fā)射14次，其中水星69號(hào)為載人飛船（1962年5月24日至1963年5月15日）?！半p子星座”飛船（Gemini）美國第二代載人飛船，目的是為阿波羅登月工程做準(zhǔn)備，重點(diǎn)解決軌道交會(huì)、對(duì)接、變軌、航天員出艙等技術(shù)問題；1961年4月8日發(fā)射雙子星座1號(hào)，1966年11月11日發(fā)射雙子星座12號(hào)，后10次都是載人飛行。阿波羅飛船美國為登月而研制的第三代載人飛船；從阿波羅11號(hào)起載人登月，成功登月6次（11、12、14、15、16、17號(hào)）；阿波羅13號(hào)登月失敗返回地球；阿波羅18號(hào)在1975年7月15日與蘇聯(lián)的聯(lián)盟19號(hào)飛船對(duì)接，兩國航天員實(shí)現(xiàn)太空互訪。未登月的阿波羅飛船阿波

10、羅7號(hào)首次載人環(huán)地球飛行阿波羅8號(hào)首次載人環(huán)月球飛行阿波羅9號(hào)環(huán)地球飛行，實(shí)現(xiàn)指令艙與登月艙對(duì)接阿波羅10號(hào)環(huán)月進(jìn)行指令艙、登月艙對(duì)接演練?！吧裰邸?號(hào)飛船三艙一段起點(diǎn)高遨游太空呈英豪造就新的里程碑奧運(yùn)會(huì)后更看好“神舟”飛船的構(gòu)成軌道艙：飛船進(jìn)入軌道后航天員工作、生活的場所，艙內(nèi)有生活裝置、儀器設(shè)備、與返回艙相連的艙門；返回艙：是飛船的指揮控制中心，航天員在飛船起飛、上升和返回階段乘坐；推進(jìn)艙：內(nèi)裝推進(jìn)裝置和推進(jìn)劑；附加段：作為交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)的安裝部位“神舟”飛船的特色起點(diǎn)高，直接采用3艙模式；返回艙直徑為2.5米，比目前俄羅斯使用的聯(lián)盟TMA飛船的返回艙大30%；軌道艙具有“留軌利用”的能力；

11、在進(jìn)行不載人飛行試驗(yàn)時(shí)，用模擬人代替動(dòng)物進(jìn)行試驗(yàn)，以考核飛船的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)。“神舟”6號(hào)飛船八大亮點(diǎn)艙門技術(shù)生命保障技術(shù)姿控技術(shù)緩沖技術(shù)減震技術(shù)“裝修”技術(shù)智能化設(shè)計(jì)記錄技術(shù)艙門技術(shù)返回艙裝有防誤開鎖多道密封措施特殊的艙門清潔布快速撿漏進(jìn)行環(huán)境模擬試驗(yàn)“神舟”6號(hào)飛船生命保障技術(shù)生命和生活保障系統(tǒng)：吃、喝、拉、撒、睡；環(huán)境保障系統(tǒng)：供、控、凈、撿、應(yīng)供：供氧、供氮控：控制壓強(qiáng)凈：凈化空氣撿：監(jiān)測煙火與滅火應(yīng)：壓力急降的應(yīng)急措施太空行走太空行走又稱為出艙活動(dòng)。狹義的太空行走即指航天員離開載人航天器乘員艙，只身進(jìn)入太空的出艙活動(dòng)。廣義而言，宇航員在月球和行星等其他天體上完成各種任務(wù)的過程

12、也可以稱為太空行走。兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)艙外航天服氣閘艙艙外航天服主要由外套、氣密限制層、液冷通風(fēng)服、頭盔、手套、靴子和背包裝置等組成 具有防輻射、隔熱、防微隕石、防紫外線等功能，在服裝內(nèi)有液冷系統(tǒng)(液冷服)，以保持人體的熱平衡，并配有背包式生命保障系統(tǒng)。 氣閘艙供航天員進(jìn)入太空或由太空返回用的氣密性裝置。有兩個(gè)氣閘門，一個(gè)與密封座艙連接，稱內(nèi)閘門；另一個(gè)是可通向太空的外閘門。 減壓病由于人體血液中融有一定氣體，人在進(jìn)入低壓環(huán)境時(shí)，這些氣體（特別是氮?dú)猓┚蜁?huì)分離出來，在血管內(nèi)形成氣泡，如果氣泡過大過多會(huì)壓迫人體內(nèi)部的組織，使某些組織受損，或在血管內(nèi)形成氣栓堵塞血管，這樣就引發(fā)各種病癥，航天醫(yī)學(xué)中稱之為

13、減壓病。 吸氧排氮航天員在出艙前，預(yù)先都要在純氧環(huán)境中停留一定時(shí)間(24小時(shí))，使體內(nèi)氮?dú)忉尫懦鰜恚@個(gè)過程稱為吸氧排氮。一般在純氧環(huán)境中吸氧排氮4小時(shí)后，大體上可以使人體內(nèi)的95%以上溶解的氮清除掉，這樣就大大減少發(fā)生減壓病的機(jī)會(huì)。太空行走中的事故航天服出現(xiàn)故障，中途返回忘記系安全帶“尿污染”太空交會(huì)與對(duì)接兩個(gè)航天器在太空軌道上會(huì)合并在結(jié)構(gòu)上連成一個(gè)整體?？臻g交會(huì)(space rendezvous)通過多次變軌，使得兩個(gè)航天器在相同時(shí)間到達(dá)相同的同一位置，且相對(duì)速度接近與零?？臻g交會(huì)是實(shí)現(xiàn)航天器對(duì)接的基礎(chǔ)和前提?？臻g對(duì)接在軌道交會(huì)的基礎(chǔ)上，使兩個(gè)航天器聯(lián)接在一起。對(duì)接的關(guān)鍵技術(shù)精密的導(dǎo)航定位

14、技術(shù)、軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)精密的對(duì)接機(jī)械、自動(dòng)與手動(dòng)對(duì)接技術(shù)航天員的操作技術(shù)對(duì)接事故阿波羅14號(hào)（1971）聯(lián)盟10號(hào)（1971）聯(lián)盟15號(hào)（1974）聯(lián)盟23號(hào)（1976）聯(lián)盟25號(hào)（1977）聯(lián)盟33號(hào)（1979）聯(lián)盟T-8號(hào)（1983）天體物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（1987）交會(huì)對(duì)接過程 地面導(dǎo)引：經(jīng)過若干次變軌機(jī)動(dòng)，進(jìn)入到敏感器能捕獲目標(biāo)航天器的范圍(一般為15100公里)。自動(dòng)尋的：自動(dòng)引導(dǎo)到目標(biāo)航天器附近的初始瞄準(zhǔn)點(diǎn)(距目標(biāo)航天器0.51公里)接近和?？浚翰东@目標(biāo)的對(duì)接軸，兩個(gè)航天器之間的距離約100米，相對(duì)速度約31米/秒。測量系統(tǒng)精確測量兩個(gè)航天器的距離、相對(duì)速度和姿態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)

15、，使之向目標(biāo)最后逼近。對(duì)接合攏：對(duì)接合攏前關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以0.030m/s 0.061m/s的停靠速度與目標(biāo)相撞，最后利用對(duì)接裝置的抓手和鎖緊機(jī)構(gòu)使兩個(gè)航天器在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)硬連接航天飛機(jī)：123次聯(lián)盟飛船：99次第一個(gè)空間站1971年4月19日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了 “禮炮1號(hào)”（Salyut-1）。4天之后，聯(lián)盟10號(hào)飛船將3名航天員送入預(yù)定軌道，成功地與空間站對(duì)接；一個(gè)半月后，聯(lián)盟11號(hào)飛船將3名航天員送入空間站。第一代空間站運(yùn)行情況禮炮15號(hào)是蘇聯(lián)第一代空間站；工作壽命最長的是禮炮4號(hào)，在軌道上工作了約2年，接納了兩次航天員，每次2人。有兩名航天員在禮炮4號(hào)上停留60天；壽命最短的是禮炮2號(hào)，上

16、天后就出現(xiàn)故障，十幾天后就破碎成幾塊。有3艘飛船與禮炮5號(hào)對(duì)接，其中1艘對(duì)接失敗。第二代空間站禮炮6、7多個(gè)對(duì)接口；貨運(yùn)飛船與載人飛船分送；增長了航天員在空間站的時(shí)間（最長為237天）。第三代空間站和平號(hào)特點(diǎn)：在軌道上通過組合擴(kuò)大規(guī)模有6個(gè)模塊：基礎(chǔ)模塊（Bace Block)、量子1號(hào)(Kvant 1)、量子2號(hào)(Kvant 2)、晶體艙(Crystal)、光譜艙(Spectr)和自然艙(Priroda)；此外還安裝了對(duì)接艙(Docking Block)。1986年2月20日開始建設(shè)，2001年3月23日墜毀，歷時(shí)15年。“和平號(hào)”運(yùn)行概況航天員在和平號(hào)上居住12年193天；31艘聯(lián)盟飛船和

17、62艘“進(jìn)步”號(hào)貨船與其對(duì)接，航天飛機(jī)與其對(duì)接9次；每年運(yùn)送到和平號(hào)上的負(fù)載約15噸；航天員進(jìn)行了52次太空行走；所有航天員在其中工作482小時(shí)；“和平號(hào)”運(yùn)行概況（續(xù)）12個(gè)國家的104人次在其中工作過，其中俄羅斯42人、美國44人、法國6人、德國4人，澳大利亞、阿富汗、英國、加拿大、保加利亞、敘利亞、斯洛維尼亞和日本各1人。有的航天員在其中工作2或3次，最多的工作5次；6個(gè)模塊全部安裝后，總質(zhì)量為131噸。結(jié)構(gòu)由軌道艙、氣閘艙、多用途對(duì)接艙、太陽望遠(yuǎn)鏡和“阿波羅”飛船5部分組成，全長6米，直徑6.7米，總質(zhì)量90噸；共接待了3批共9名航天員，分別在站內(nèi)生活和工作了28、59和84天；天空實(shí)

18、驗(yàn)室沒有變軌能力，在大氣層阻力作用下，軌道不斷衰減，于1979年7月11日進(jìn)入大氣層墜毀。第四代空間站國際空間站第一階段（19941998）：準(zhǔn)備階段，主要進(jìn)行航天飛機(jī)與和平號(hào)空間站的交會(huì)對(duì)接飛行，以取得經(jīng)驗(yàn)；第二階段（19982001）：初期裝配階段，主要建成一個(gè)具有載3人能力的初期空間站。1998年11月20日，國際空間站的第一個(gè)組件曙光號(hào)（Zarya）多功能貨艙發(fā)射成功，標(biāo)志著16國參加的國際空間站計(jì)劃正式進(jìn)入第二階段。第三階段（20022012）：最終裝配及應(yīng)用階段，將建成可載67人、工作壽命1015年的長久性空間站。建成后的國際空間站總重量423噸，長108米，寬88米。有6個(gè)實(shí)驗(yàn)室

19、，33個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有效載荷柜。俄羅斯的服務(wù)艙和研究艙將提供額外的研究空間。國際空間站的結(jié)構(gòu)6個(gè)實(shí)驗(yàn)艙1個(gè)居住艙3個(gè)節(jié)點(diǎn)艙平衡系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)，總質(zhì)量500噸，主結(jié)構(gòu)長88米，首尾距110米。還未安裝的部件日本試驗(yàn)艙俄羅斯的多用途試驗(yàn)艙節(jié)點(diǎn)3ESA的圓頂觀測艙桁架與太陽電池Alpha磁質(zhì)譜儀航天飛機(jī)1981年4月12日，世界上第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)發(fā)射成功，實(shí)現(xiàn)了人類能往返天地的愿望失事的“哥倫比亞”號(hào)上的機(jī)組人員發(fā)現(xiàn)號(hào)蘇聯(lián)的“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)1988年11月15日蘇聯(lián)的航天飛機(jī)由“能源”號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射，并成功地返回地面。但因財(cái)政、技術(shù) 等多方面，原因 “暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)僅飛一次便無下文。載人航天的應(yīng)用微重力環(huán)境科學(xué),商業(yè)和軍事應(yīng)用微重力環(huán)境產(chǎn)生的方法落塔（或落井） 飛機(jī)作拋物線飛行 探空火箭 空間站飛機(jī)產(chǎn)生微重力環(huán)境示意圖 火箭產(chǎn)生微重力條件原理圖 美國空間實(shí) 驗(yàn) 室“飛檐走壁”太空頭球賽如此合影吃在太空吸塵器的