航空航天基本知識(2)
航空航天基本知識
我們知道，人類的家園是地球，而地球的外面覆蓋著一層大氣，如果沒有水和大氣以及適宜的溫度和環(huán)境，生物是很難生存的。
通常，在人們的眼中，“天”很高，要想沖出厚厚的大氣層，進入太空非常非常困難。其實，與地球相比，大氣層是很稀薄的。
人們知道，地球的直徑大約為12700千米，而大氣層的厚度只有100 -800千米。如果將地球比作一個蘋果的話，那么，我們可以把大氣層看成是蘋果的皮，可這層“蘋果皮”本身卻是變化多端的。
比如最貼近地球表面的一層，叫作對流層，其高度從海平面起一直到大約11000米止，其頂界是隨緯度、季節(jié)等情況而變化的，在赤道地區(qū)為17000米，在中緯度地區(qū)(如北京、天津地區(qū))為11000米，在地球兩極地區(qū)則為7000-8000米。
對流層的主要特點是，空氣溫度隨著高度的增加而降低，因而又稱為變溫層，平均而言高度每上升1000米，氣溫約下降6.5℃。與此同時，氣壓也隨高度的增加而降低。由于地球引力的作用，在 5500米的高度范圍內(nèi)，包含了大氣總量的一半，而整個對流層，大約占了全部大氣質(zhì)量的四分之三。
由于幾乎所有的水蒸氣都集中在這一層大氣內(nèi)，再加上大量的微粒，因而，這里也是風云變幻最為劇烈的一層。從大約11000米的高度起，直到30500米左右，其大氣溫度基本不變，平均保持在-56.5℃上下，因此被稱為同溫層(實際情況是：在25000米以下，氣溫隨高度的升高而上升。在同溫層頂，氣溫約升至-43至-33℃)。同溫層的氣溫之所以具有這樣的特點，是因為該層大氣離地球表面較遠，受地面溫度的影響較小，并且其頂部存在著臭氧，能夠直接吸收太陽的輻射熱等。
同溫層所包含的空氣質(zhì)量大約占整個大氣的四分之一弱。在這一層大氣內(nèi)，沒有上下對流，只有水平方向的風，所以又叫作平流層。另外，該層大氣幾乎不存在水蒸氣，基本上沒有云、霧、雨、雹等氣象變化的現(xiàn)象，這對飛行器的平穩(wěn)飛行是非常有利的。不過，由于空氣密度很小，飛機在這一高度層上又不適宜機動飛行。
人類的航空活動差不多都集中在對流層和同溫層內(nèi)。為了保證飛機和發(fā)動機的工作效率，飛機飛行的高度一般不超過30千米的界限。
從30千米到80-100千米的高度范圍，被稱為中間層。這一層空氣的特點是：以 45千米為界，溫度先升后降。由于大量的臭氧存在，其氣溫先由同溫層頂?shù)?33℃提高到17至40℃左右;從45千米起，隨著高度的升高，氣溫又開始下降，一直降低到-65.5℃至-113℃。
中間層的空氣已經(jīng)很稀薄了，其空氣質(zhì)量約只占整個大氣層的1/3000。在80千米高度上，空氣的密度只有地面的五萬分之一;而在100千米高度上，空氣的密度僅為地面的一千萬分之八。由于空氣非常稀薄，并且氣體開始呈現(xiàn)電離現(xiàn)象，因此，人們一般把飛行高度達到80—100千米的飛行器，看成是不依靠大氣飛行的航天器。
1967年10月，美國試飛員約瑟夫·沃爾克駕駛X-15A火箭飛機飛出了 7297千米/小時的驚人速度，創(chuàng)造了有人駕駛飛機速度的世界紀錄。而且，他還曾多次飛到了80千米以上的高空，成為美國第一個“駕駛飛機的宇航員”。按照美國航空航天局規(guī)定：飛行高度超過80千米的飛行員即可稱為宇航員.
在中間層之上直至800千米高空的范圍，稱作電離層。其特點是：含有大量的帶正電或負電的離子，空氣具有導電性。并且，其溫度隨高度的增大而迅速升高，在200千米高度時，氣溫可達400℃。所以，這里又被人們叫作“暖層”。
在電離層頂端之外，便是大氣的最外層——“散逸層”了。由于地球引力的減弱，氣體分子和等離子體與地球已若即若離。
電離層和散逸層的空氣密度極低，對太空飛行器的影響已很小，因此，人類大部分的航天活動都是在它們之內(nèi)(或之外)進行的。
航空與航天的區(qū)別
航空與航天是人們經(jīng)常接觸的兩個技術(shù)名詞，兩者雖然僅一字之差，卻被稱為兩大技術(shù)門類，這是為什么呢?
您稍加注意即可發(fā)現(xiàn)，航空技術(shù)主要是研制軍用飛機、民用飛機及吸氣發(fā)動機，航天技術(shù)主要是研制無人航天器、載人航天器、運載火箭和導彈武器，最能集中體現(xiàn)兩者成果的是航空器和航天器。從航空器與航天器的重大區(qū)別上即可看出兩個技術(shù)領域的顯著差異。
第一，飛行環(huán)境不同。所有航空器都是在稠密大氣層中飛行的，其工作高度有限?，F(xiàn)代飛機最大飛行高度也就是距離地面30多千米。即使以后飛機上升高度提高，它也離不開稠密大氣層。而航天器沖出稠密大氣層后，要在近于真空的宇宙空間以類似自然天體的運動規(guī)律飛行，其運行軌道的近地點高度至少也在100千米以上。對在運行中的航天器來講，還要研究太空飛行環(huán)境。
第二，動力裝置不同。航空器都應用吸氣發(fā)動機提供推力，吸收空氣中的氧氣作氧化劑，本身只攜帶燃燒劑。而航天器其發(fā)射和運行都應用火箭發(fā)動機提供推力，既帶燃燒劑又帶氧化劑。吸氣發(fā)動機離開空氣就無法工作，而火箭發(fā)動機離開空氣則阻力減小有效推力更大。吸氣發(fā)動機包括燃燒劑箱在內(nèi)都可隨飛機多次使用，而發(fā)射航天器的運載火箭都是一次性使用。雖然航天飛機的固體助推器經(jīng)過回收可以重復使用20次，其軌道器液體火箭發(fā)動機可以重復使用50次，但與
航空器使用的吸氣發(fā)動機比較起來，使用次數(shù)仍然是很少的。吸氣發(fā)動機所用的燃燒劑僅為航空汽油和航空煤油，而火箭發(fā)動機所用的推進劑卻是多種多樣的，既有液體的，也有固體的，還有固液型的。
第三，飛行速度不同?，F(xiàn)代飛機最快速度也就是音速的三倍多，且是軍用飛機。至于目前正在使用的客機，都是以亞音速飛行的。而航天器為了不致墜地，都是以非常高的速度在太空運行的。如在距地面600千米高的圓形軌道上運行的航天器，其速度是音速的22倍。所有航天器正常運行時都處于失重狀態(tài)，若長期載人會使人產(chǎn)生失重生理效應，并影響健康。正因如此，航天員與飛機駕駛員比較起來，其選拔和訓練要嚴格得多。一般人買票即可坐飛機，而花重金到太空遨游的人還必須通過專門培訓。
第四，工作時限不同。無論是軍用還是民用飛機，最大航程計約2萬千米，最長飛行時間不超過一晝夜。其活動范圍和工作時間都很有限，主要用于軍事和交通運輸。雖然通用輕型飛機應用廣泛，但每次活動范圍相對更小。而航天器在軌道上可持續(xù)工作非常長時間，如目前仍在使用的聯(lián)盟TM號載人飛船，可與空間站對接后在太空運行數(shù)月之久。再如航天飛機，能在軌道上飛行7-30天，約1.5小時即可圍繞地球飛行一周。載人航天器運行時間最長的當屬和平號空間站，它在太空飛行了整整15個年頭。至于無人航天器，如各種應用衛(wèi)星，一般都在繞地軌道上工作多年。有的深空探測器，如先驅(qū)者10號，已在太空飛行了32年，正在飛出太陽系向銀河系遨游。航空器的優(yōu)點是能多次重復使用，而航天器除航天飛機外，只能一次性使用，載人宇宙飛船也不例外。
第五，升降方式不同。飛機的升空是從起飛線開始滑跑到離開地面，加速爬升到安全高度為止的運動過程。它返回地面降落時只要經(jīng)過下滑和著陸即可。只有個別飛機如英國的“鷂”型戰(zhàn)斗機采用發(fā)動機噴口轉(zhuǎn)向的方式使飛機能夠垂直起落，但機身并未豎起，仍處于水平位置。而至今為止的航天器發(fā)射，包括地面和海上的發(fā)射，頂部裝著航天器的運載火箭都是垂直騰空的。在完成發(fā)射過程中，運載火箭要按程序掉頭轉(zhuǎn)向和逐級脫離，最終將航天器送入預定軌道運行。有的航天器發(fā)射，中間還要經(jīng)過多次變軌，情況更為復雜。航天飛機雖然也能施放航天器，但它本身亦是垂直發(fā)射升空的。至于返回式航天器，其回歸地面必須經(jīng)歷離軌、過渡、再入和著陸四個階段，遠比飛機降落困難。航空器的起飛、飛行和降落與航天器的發(fā)射、運行和返回，雖然都離不開地面中心的指揮，但兩者的地面設施和保障系統(tǒng)及其工作性能與內(nèi)容也是大有區(qū)別的。
世界航空航天大事件
風箏起源古代中國，約14世紀傳到歐洲
公元前500-400年中國人就開始制作木鳥并試驗原始飛行器
1909年世界第一架輕型飛機在法國誕生
1903年12月14日至17日，由萊特兄弟設計制造的“飛行者”1號飛機，在人類航空史上首次實現(xiàn)了自主操縱飛行.這次試飛成功成為一個劃時代的事件，人類航空史從此進入新的紀元
1947年10月14日美國著名試飛員查爾斯·耶格爾駕駛X—1飛機實現(xiàn)了突破音障飛行
1969年7月20日22時56分20秒，阿姆斯特邁出一小步成為全體地球人類的一大步
1957年10月4日
前蘇聯(lián)發(fā)射世界第一顆人造地球衛(wèi)星。半年后，美國的人造衛(wèi)星上天
1959年9月12日
前蘇聯(lián)發(fā)射“月球”2號探測器，為世界上第一個撞擊月球表面的航天器
1961年4月12日
前蘇聯(lián)宇航員加加林成為世界第一位飛入太空的人
1969年7月20日
美國宇航員阿姆斯特朗乘坐“阿波羅”11號飛船，成為人類踏上月球的第一人
1970年12月15日
前蘇聯(lián)“金星”7號探測器首次在金星上著陸
1971年4月9日
前蘇聯(lián)“禮炮”1號空間站成為人類進入太空的第一個空間站。兩年后，美國將“天空實驗室”空間站送入太空
1971年12月2日
前蘇聯(lián)“火星”3號探測器在火星表面著陸。5年后，美國的“海盜”火星探測器登陸火星
1981年4月12日
世界第一架航天飛機---美國“哥倫比亞”號航天飛機發(fā)射成功
1986年1月28日
美國航天飛機“挑戰(zhàn)者”號在升空73秒后爆炸
1986年2月20日
前蘇聯(lián)發(fā)射“和平”號空間站，服役已經(jīng)超期8年，至今仍在運行，是目前最成功的人類空間站
1993年11月1日
美、俄簽署協(xié)議，決定在“和平”號空間站的基礎上，建造一座國際空間站，命名為阿爾法國際空間站
我國航空航天大事件
1956年10月8日，我國第一個火箭導彈研究機構(gòu)———國防部第五研究院成立。
1970年4月24日，長征一號運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功地發(fā)射了東方紅一號衛(wèi)星，我國成為世界上第三個獨立研制和發(fā)射衛(wèi)星的國家。
1975年11月26日，長征二號運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功地發(fā)射了我國第一顆返
回式科學試驗衛(wèi)星，并于3天后成功回收。
1984年4月8日，長征三號運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功地發(fā)射了我國第一顆地球同步軌道衛(wèi)星———東方紅二號試驗通信衛(wèi)星。
1990年4月7日，中國用自行研制的長征三號運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功地發(fā)射了亞洲一號通信衛(wèi)星，這是中國長征系列運載火箭首次發(fā)射國外衛(wèi)星，使我國在世界航天商業(yè)發(fā)射服務領域占有了一席之地。
1999年10月，我國和巴西聯(lián)合研制的第一顆地球資源衛(wèi)星順利升空，并正常運行，這是我國首次在空間技術(shù)領域進行的全面國際合作。
2003年10月15日，“神舟”五號飛船成功發(fā)射，并于2003年10月16日圓滿回收，使我國成為世界上第三個獨立掌握載人航天技術(shù)的國家。
2003年12月和2004年7月，我國與歐洲空間局聯(lián)合研制并發(fā)射了“探測一號”和“探測二號”科學衛(wèi)星，“地球空間雙星探測計劃”取得圓滿成功。
2004年1月23日，我國繞月探測工程正式由國務院批準立項。
2005年10月12日，神六成功發(fā)射。
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