04天文及空間技術(shù).ppt

1、天文、空間與空間技術(shù),P.2/43,天 文,天文學(xué)是觀察和研究宇宙間天體的學(xué)科，它研究天體的分布、運動、位置、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)及起源和演化，是自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科。,P.3/43,宇宙起源,宇宙大爆炸,P.5/43,量子力學(xué)思想應(yīng)用于大爆炸和宇宙的起源。這就得出了這樣的設(shè)想：時空可能在范圍上有限，但沒有邊緣。,牛頓和愛因斯坦的兩種引力理論都得出這樣的結(jié)論宇宙不可能是靜態(tài)的，它不得不或是膨脹，或是收縮。而這又意味著，在前200億年到前100億年之間，必定有某一時刻，那時宇宙的密度為無窮大，這就產(chǎn)生了所謂的大爆炸。它可能就是宇宙的開端。,P.6/43,大爆炸理論,主要觀點: 認為我們的宇

2、宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里，宇宙體系不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從冷到熱從密到稀的過程如同一次規(guī)模很大的爆發(fā)。,大爆炸 (一開始),P.8/43,(2)每十億個反物質(zhì)粒子中會有一個轉(zhuǎn)變成物質(zhì)粒子。,(1)大爆炸制造等量的能量與反物質(zhì),宇宙初步形成過程,(3)物質(zhì)與反物質(zhì)互相湮滅。 (4)結(jié)果：反物質(zhì)摧毀了宇宙中99.9999999%的物質(zhì)。,第一批原子開始形成(3分鐘),(5)少數(shù)殘余的物質(zhì)粒子以三個一組形成質(zhì)子和中子，然后再和電子形成原子。,氫和氦(3分鐘),P.12/43,氣體云團(10萬年),星星出現(xiàn)(10億年),（6）原子冷卻、結(jié)合成恒星、銀河并演化成我們今

3、日所知的宇宙。,P.15/43,簡言之,早期現(xiàn)在,溫度：極高降低 密度：極大變小 體積：極小變大 物質(zhì)：基本各樣 粒子恒星 形態(tài)體系 物質(zhì)宇宙,中子衰變 化學(xué)元素形成,氣體凝成氣云,如同一次規(guī)模巨大的爆炸,P.16/43,微波波段上探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射，溫度約為2.7K (伽莫夫曾預(yù)言，今天的宇宙已經(jīng)很冷，只有絕對溫度幾度) 河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比 (紅移是宇宙膨脹的反映) 在各種不同天體上，氦豐度相當(dāng)大，而且大都是25% (早期溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高 ) 任何天體年齡都小于150億年 (主張所有恒星都是在溫度下 降后產(chǎn)生的）,能說明較多觀測事實

4、：,尚不能確切地解釋：,“在所存物質(zhì)和能量聚集在一點上”之前 存在著什么東西,P.17/43,現(xiàn)年齡：150億年 預(yù)計陽壽：390億年 身體狀況：健康的壯小伙，剛過青春期 家庭背景：據(jù)說本人在baby時還有一個孿生兄弟 ，可惜本人患有“宇宙健忘癥”，已經(jīng)不記得了。現(xiàn)在好多人都說我是從大爆炸中蹦出來的。 對未來的憧憬：老實說我也不知道未來的我是什么樣，也許發(fā)福成一個大胖子，也許凹陷成一個孱弱的小瘦子。,宇宙的簡歷及未來報告,P.18/43,宇宙三禁律,時間機器 空間捷徑 超光速運動,P.19/43,暗物質(zhì),暗物質(zhì)是指那些不發(fā)射任何光及電磁輻射的物質(zhì),P.20/43,暗物質(zhì)的研究引力透鏡現(xiàn)象,P.

5、21/43,弦理論與黑洞,黑洞是一種引力極強的天體，就連光也不能逃脫。,P.22/43,黑洞的形成,可能也是由恒星演化而來的。,P.23/43,弦理論,認為自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的粒子。這些看起來像粒子的東西實際上都是很小很小的弦的閉合圈（稱為閉合弦或閉弦），閉弦的不同振動和運動就產(chǎn)生出各種不同的基本粒子。,P.24/43,空間與空間技術(shù),P.25/43,空間：人類的第四環(huán)境,人類逐步擴展的活動范圍： 從陸地海洋大氣層(稠密空間)外層空間,人類的第一環(huán)境：陸地 人類的第二環(huán)境：海洋 人類的第三環(huán)境：大氣層 人類的第四環(huán)境：外層空間,簡稱宇宙空間或太空,“天” (外層空

6、間簡稱外空) 的 兩種理解： 地球大氣層以外的無限遙遠空間稱之為“天” 地球大氣層外、太陽系以內(nèi)的有限空間叫做“天”,通常把離地球表面100120km以上的區(qū)域稱為外層空間第四環(huán)境可到達無窮遠的宇宙深空。,P.26/43,P.27/43,民航飛機的飛行高度層:中型以上的民航飛機都在高空飛行，此處的高空是指海拔712公里的空間,民航飛機上有降落傘沒？,P.29/43,空間-人類的第四環(huán)境,進入第四環(huán)境需要克服的難關(guān)： 1克服地球甚至太陽系的萬有引力。 2克服真空。 3適應(yīng)劇烈變化的溫度環(huán)境。 4防止有害輻射。,第四環(huán)境中蘊藏著的空間資源， 僅就近地的外空領(lǐng)域來看，可利用的空間資源就有： 相對地面

7、的高位置資源； 微重力環(huán)境資源； 高真空、高潔凈環(huán)境資源； 超低溫資源； 太陽能資源； 月球及其行星資源等。,P.30/43,空間技術(shù)：鋪向通天路,空間技術(shù)：探索、開發(fā)和利用太空以及地球以外天體的綜合性工程技術(shù)高度綜合的技術(shù)。,目的：利用空間飛行器作為手段來研究發(fā)生在空間的物理、化學(xué)和生物等自然現(xiàn)象。,航天：地球大氣層以外、太陽系以內(nèi)的空間活動 航宇：超出太陽系以外的空間活動, 空間技術(shù) 與航天技術(shù)？,空間技術(shù)：涵蓋航天技術(shù)和航宇技術(shù),由于在相當(dāng)長的時間內(nèi)，人類主要還是在太陽系內(nèi)從事活動，因此，當(dāng)今把航天技術(shù)和空間技術(shù)視為同義詞已得到公認。,P.31/43,空間技術(shù)鋪向通天路,19571960

8、年 初期試驗階段,19601964年 實際應(yīng)用試驗階段,19641979年 載人飛行 在太空部署各種衛(wèi)星網(wǎng) 對行星空間科學(xué)探測,1980年到現(xiàn)在 航天飛機階段,P.32/43,2) 使現(xiàn)代通信技術(shù)躍入嶄新時代 解決了地面遠距離、短波和地面微波通信易受干擾成本高的問題。目前2/3以上的洲際通信由通信衛(wèi)星承擔(dān)。,空間技術(shù)的意義 1) 空間技術(shù)使人類進入第四環(huán)境 在月球、火星和小行星等天體上，有豐富的行星際空間，有真空資源、輻射資源、大溫差資源，那里的太陽能利用效率也比在地球上高得多。利用航天器的飛行，還可派生出軌道資源和微重力資源等。,3) 為經(jīng)濟發(fā)展帶來美好前景 利用空間技術(shù)的遙感遙測可以廣泛地

9、開展對土地、森林、水、礦產(chǎn)、海洋等資源的普查。利用氣象衛(wèi)星國土資源衛(wèi)星可以預(yù)報自然災(zāi)害。利用空間技術(shù)進行“航天育種”使經(jīng)過太空“處理”回到地上種植的農(nóng)作物種子不僅變異頻率高幅度大、變異性狀可以遺傳、而且變異穩(wěn)定。,空間技術(shù)鋪向通天路,P.33/43,航天器分類 按原理分： 近地軌道宇宙飛行器 行星際宇宙飛行器,空間技術(shù)的三大組成部分 航天器、運載器、地面測控系統(tǒng),1. 航天器(亦稱空間飛行器、太空飛行器)：飛向宇宙空間或在宇宙空間飛行的所有裝置的統(tǒng)稱。,P.34/43,按應(yīng)用分：,無人航天器,載人航天器,衛(wèi)星式，登月式,空間技術(shù)三大組成部分,位于地球赤道上空35786公里處的地球靜止軌道通信衛(wèi)

10、星,我國1984年4月8日發(fā)射的第一顆靜止軌道通信衛(wèi)星 “東方紅二號”,P.35/43,航天器基本上是無動力的，依靠運載火箭，通常為第二級火箭提供的初速來運動。運載火箭在燃料耗盡后就自動分離，向地球下落；航天器或者進入繞地球軌道，或者在給以一定動量情況下，繼續(xù)飛向太空目的地。,航天器現(xiàn)階段采用的三種電源 (帶動所攜帶的各種設(shè)備) 太陽能電池 (多用于不載人的航天器) 化學(xué)能電池(載人航天器上 通常用燃料電池,有時則為燃 料電池與太陽電池的組合) 核能電池 (美國的深空探測 器“先驅(qū)者”號和“旅行者”號用 了小型的核反應(yīng)堆提供電源),空間技術(shù)三大組成部分,P.36/43,空間技術(shù)三大組成部分,1

11、957年第一顆人造衛(wèi)星,1) 人造衛(wèi)星,1970年第一個觀測X射線的小型天文衛(wèi)星美國的“自由號”進入巡天軌道,法國監(jiān)視雷達發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆身份不明人造衛(wèi)星,P.37/43,空間技術(shù)三大組成部分,2) 探測器 研制和發(fā)射行星際探測器的主要目的: 對月球及太陽系內(nèi)各行星進行系統(tǒng)考察與研究,行星際探測器主要采用三種飛行方法： 從目的星旁飛過 繞目的星運轉(zhuǎn), 成為目的星的衛(wèi)星 穿過目的星周圍大氣層，在目的星上著陸（分硬著陸和軟著陸）。,P.38/43,美國19621974年間發(fā)射的探測金星的“水手”號系列,1號,2號,5號,10號,空間技術(shù)三大組成部分,P.39/43,空間技術(shù)三大組成部分,2007.9.1

12、4日本發(fā)射的“月亮女神” (SELENE)號月球探測器,環(huán)繞月球飛行的“月球勘探者”探測器,歐洲宇航局2004年11月16日發(fā)射的“智能號 (SMART-1)”號探測器,P.40/43,2007年發(fā)射的嫦娥一號系列圖,空間技術(shù)三大組成部分,P.41/43,空間技術(shù)三大組成部分,2006.9.2910.6 美國宇航局的火星探測器火星偵察軌道器MRO,歐洲航天局2006年13日宣布，“火星快車”探測器(MARSIS)最新發(fā)現(xiàn)，在火星北半球低地和平原下，埋藏著很多直徑在130公里至470公里之間的巨大撞擊坑。,P.42/43,美國國家航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局聯(lián)合研制的卡西尼惠更斯號于北京

13、時間2004年7月1日12時12分順利進入環(huán)繞土星轉(zhuǎn)動的軌道，開始對土星大氣、光環(huán)和衛(wèi)星進行歷時4年的科學(xué)考察。也是進入土星軌道的第一艘人造飛船。,空間技術(shù)三大組成部分,P.43/43,空間技術(shù)三大組成部分,載人航天器需要配備維持生命的系統(tǒng)和返回設(shè)備,需要精確的對接技術(shù).,P.44/43,空間技術(shù)三大組成部分,“東方”號宇宙飛船進入人造地球衛(wèi)星的軌道。人類從此進入了“航天時代”，人類終于飛出了地球。,3) 人造飛船,中國航天器太空交匯對接示意圖,P.45/43,“神舟”一號宇宙飛船,“神舟四號”進入太空,“神舟”五號宇宙飛船,空間技術(shù)三大組成部分,“神舟”二號宇宙飛船,P.46/43,航天服,

14、航天服按功能分為艙內(nèi)用航天服和艙外用航天服。,P.47/43,P.48/43,P.49/43,4) 航天飛機 航天飛機是一種多用途航天器。它能滿足發(fā)射、修理和回收衛(wèi)星以及運送人員、物資等需要，可多次重復(fù)使用，顯著降低了運載成本。它的出現(xiàn)是航天技術(shù)發(fā)展的一次飛躍，代表了載人航天器的發(fā)展方向。,空間技術(shù)三大組成部分,P.50/43,美國最新研制的X-43A高超音速航天飛機的模擬飛行圖。試驗中的X-43A飛行速度將隨氣溫和高度的不同而改變，一般為音速的7到10倍。,一名宇航員從正在駛離國際空間站的 “奮進”號航天飛機上拍下的空間站的照片,空間技術(shù)三大組成部分,P.51/43,空間技術(shù)三大組成部分,哥

15、倫比亞號航天飛機,“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機于美國東部時間2007年10月23日上午11時38分(北京時間10月23日23時38分)從佛羅里達州肯尼迪航天中心升空，飛往國際空間站。,歐洲未來航天飛機“鳳凰”展英姿(2004年),P.52/43,空間技術(shù)三大組成部分,對接艙與空間站的?？看a頭，宇宙飛船和航天飛機等空間飛行器通過對接艙與空間站實現(xiàn)?？浚员氵M行人員輪換，物資供應(yīng)和廢物處理等?？臻g站一般比人造衛(wèi)星和宇宙飛船大得多，乘員也多，可為宇航員和專家提供較充裕的活動場所。由于空間站創(chuàng)造了人能長期生活的環(huán)境，對乘員要求不十分嚴格，可根據(jù)需要選派各種專家去空間站長期工作。,5) 空間站 空間站的主要任務(wù)：

16、 研究人對空間環(huán)境的適應(yīng)能力 控測天體、觀察地球、試制新材料和進行生物學(xué)試驗等,空間站的主體結(jié)構(gòu)： 生活艙 工作艙(儀器設(shè)備艙) 服務(wù)艙 對接艙,宇航員進行各種研究的場所,承裝動力和能源系統(tǒng),P.53/43,空間技術(shù)三大組成部分,多艘神舟號飛船對接組成的小型空間站想象圖,前蘇聯(lián)的“和平”號空間站,美國的“天空實驗室” 空間站,P.54/43,空間技術(shù)三大組成部分,國際空間站建成后的外觀,國際空間站近影,P.55/43,下一代載人航天器,新一代載人航天器,空間技術(shù)三大組成部分,獵戶星座,P.56/43,空間技術(shù)三大組成部分,3. 地面測控系統(tǒng)：地面對航天器進行跟蹤、遙控和保持 通信聯(lián)系,精確測量

17、飛行器的姿態(tài)和軌道參數(shù)，并隨時調(diào)整它的姿態(tài)偏差。,高精系統(tǒng)支持探月 嫦娥一號與地面的聯(lián)系,P.57/43,航天工程的主要發(fā)展方面,1. 開發(fā)月球 地球上已有的各種元素月球上都有，而地球上沒有氦-3的儲量相當(dāng)豐富，可用作核聚變的原料。, 進一步掌握有關(guān)行星大氣、行星上火山和地質(zhì)學(xué)方面的知識，為認識太陽系演化理論、生命起源等基本問題增添新內(nèi)容。, 研究高能天體，有可能找到新能源。, 研究從近地空間擴展到遠地空間，從內(nèi)行星擴展到外行星，對太陽系所有行星進行跟蹤觀測。,P.58/43,2、探測火星,（1）火星質(zhì)量只有地球的1/9，半徑僅有1/2。 （2）火星的自轉(zhuǎn)周期幾乎與地球一樣； （3）火星的自轉(zhuǎn)

18、軸傾角幾乎和地球相同，故火星上也有四季，生存條件僅次于地球。 （4）火星與地球的明顯不同就是，火星的公轉(zhuǎn)周期幾乎是地球的兩倍，所以，火星上每個季節(jié)要持續(xù)6個月，而不是3個月,P.59/43,2005年7月，火星快車發(fā)現(xiàn)火星的北極附近有一塊直徑達八英里的巨大積冰,機遇號攝到的火星藍莓,美國三代火星車，依次為旅居者、勇氣號和火星科學(xué)實驗室,P.60/43,先驅(qū)者10號,3.地外生命,P.61/43,旅行者”1號太空探測器已經(jīng)抵達太陽系邊緣，即將沖出太陽系， “旅行者”1號太空探測器攜帶了一個錄有55種語言和90分鐘的音樂集錦的磁碟向宇宙問候,P.62/43,操作： 用火箭將太陽能發(fā)電衛(wèi)星發(fā)射到空間軌道上，發(fā)電衛(wèi)星在太空將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，電能通過微波發(fā)生器把直流電轉(zhuǎn)換成微波電能，通過微波傳送到地面接收電站，再向用戶供電。,空間發(fā)電站組成： 太空部分 太陽能發(fā)電衛(wèi)星(在比地面上高4-5倍的空間地球同步軌道上建立太陽能電站。) 地面部分 接收電站。,4. 建立空間發(fā)電站 若用空間太陽能發(fā)電，可獲得相當(dāng)于目前世界發(fā)電總量5萬倍以上的電力。