航天简谱

航天技术发展简史

千百年来，中国及其他国家和地区流传着许许多多有关飞行的美妙神话和传说，而家喻户晓、一直为人津津乐道的嫦娥奔月就是其中之一。由于科学技术长期落后，飞行的探索直到近代一直处于盲目的冒险和无尽的幻想阶段。在飞机诞生的同一年，齐奥尔科夫斯基建立了火箭和航天飞行理论。此后，法国的埃斯诺—贝尔特利、美国的戈达徳、德国的奥伯特也阐明了利用火箭进行太空飞行的基本原理。1926年，戈达徳研制发射成功历史上第一枚液体火箭。经过徳、美、苏等国一大批火箭先驱者的努力，液体火箭技术逐步发展成熟。1942年，德国研制成功实用的弹道导弹，为战后发展大型导弹和航天运载火箭奠定了基础。战后在冷战的背景下，苏美两国大力发展弹道导弹。1957年8月，苏联研制成功第一枚洲际弹道导弹。1957年10月4日，苏联利用洲际导弹技术研制成的运载火箭发射成功第一颗人造地球卫星，人类终于跨入了航天时代。

航天技术发展之快是航天先驱者们未曾预料到的。相关技术的成熟特别是航空领域的许多技术的直接应用加快了航天的发展。同时冷战和太空竞赛客观上为航天的发展提供了极大的动力。航天时代开始以来，仅过了4年，载人太空飞行便取得了成功，实现了古老的人类遨游太空的理想。1969年7月，美国的阿姆斯特朗和奥尔德林乘“阿波罗”11号飞船登月成功，标志着人类征服太空取得了又一次历史性突破。

航空航天发展对人类的影响

航空航天技术是新技术革命的重要组成部分。航空航天技术又是典型的知识密集和技术密集的高技术学科。它以众多科学技术学科为基础，集中应用了20世纪许多工程技术新成就。同时，航空航天技术又为这些科学技术学科的发展提供了新手段，提出了新任务。高度综合性的航空航天技术的发达程度日益成为衡量一个国家科学技术、国民经济和国防建设整体水平的重要标志。

航天器的出现使人类的活动范围从地球大气层扩大到广阔无垠的宇宙空间，引起了人类认识自然和改造自然能力的飞跃，对社会经济和社会生活产生了重大影响。  

航天器在地球大气层以外运行，摆脱了大气层阻碍，可以接收到来自宇宙天体的全部电磁辐射信息，开辟了全波段天文观测；航天器从近地空间飞行到行星际空间飞行，实现了对空间环境的直接探测以及对月球和太阳系大行星的逼近观测和直接取样观测；环绕地球运行的航天器从几百千米到数万千米的距离观测地球，迅速而大量地收集有关地球大气、海洋和陆地的各种各样的电磁辐射信息，直接服务于气象观测、军事侦察和资源考察等方面；人造地球卫星作为空间无线电中继站，实现了全球卫星通讯和广播，而作为空间基准点，可以进行全球卫星导航和大地测量；利用空间高真空、强辐射和失重等特殊环境，可以在航天器上进行各种重要的科学实验研究。 

随着航天飞机和其他新型航天运输系统的使用，空间组装和检修技术的成熟，人类将在空间建造各种大型的航天系统，例如，直径上千米的大型光学系统、长达几千米的巨型天线阵和永久性空间站等。未来航天器的发展和应用主要集中在三个方面：进一步提高从空间获取信息和传输信息的能力，扩大应用范围；加速试验在空间环境条件下生产新材料和新产品；探索在空间利用太阳辐射能，提供新能源。从空间获取信息、材料和能源是航天器发展的长远目标。

航天器

航天器是指在稠密大气层外环绕地球，或在行星际空间、恒星际空间，基本上按照天体力学规律运行的各种飞行器，又称空间飞行器。航天器可以分为无人航天器与载人航天器。无人航天器按是否绕地球飞行又可分为人造地球卫星和空间探测器。载人航天器又可分为载人飞船、航天站（又称空间站）和航天飞机。载人航天器与无人航天器的主要区别是载人航天器具有生命保障系统。

（1）卫星

人造地球卫星是一个人造天体，它遵循开普勒行星运动三定律围绕地球运行。人造地球卫星是数量最多的航天器。人造地球卫星与其他飞行器相比，有以下优点：无需动力就能在大气层外长时间运转；活动范围大，高度从几百千米到几万千米；能不受限制的飞越地球上绝大部分地区，甚至全部地区上空。

由于具有上诉优点，卫星能在很短时间内从一定高度上对广大区域或空间进行探测，随着科学技术的发展，卫星的用途越来越广泛，既能用于科学研究（如空间探索），又能为国民经济服务（如通信、导航、气象、资源勘探、大地测量等），还能为军事服务（如侦察、预警等）。

卫星按其用途可分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。科学卫星用于科学探测和研究，主要包括空间探测卫星和天文卫星等，如中国的实践二号科学探测卫星。应用卫星直接为国民经济、军事和文化教育服务，主要有通信及广播卫星、气象卫星、测地卫星、地球资源卫星、导航卫星和侦察卫星等，还有专门用于军事的截击卫星，部分卫星还具有多种功能。应用卫星如中国的东方红三号通信卫星、风云二号气象卫星等。技术试验卫星主要用于各种在轨试验，如中国的实践一号试验卫星。

（2）空间探测器

空间探测器是指对月球、其他天体和空间进行探测的无人探测器，也称深空探测器。探测器的基本结构和人造地球卫星差不多，只不过探测器携带有用于观测天体的各种先进观测仪器。

空间探测器按探测对象分为：月球探测器、金星探测器、火星探测器、土星探测器、木星探测器、哈雷彗星探测器、太阳探测器和宇宙探测器。例如，携带地球各种信息的先驱者号宇宙探测器，目前已经飞出太阳系，试图寻找地球外智能生命。

（3）载人飞船

载人飞船是载乘宇航员的航天器，又称宇宙飞船。宇宙飞船是三种载人航天器中最小、最简单、最先使用的一种，可分为卫星式、登月式和行星际式三种。前两种已在20世纪发射成功，后一种有望在21世纪问世，并且很有可能是载人火星飞船。宇宙飞船只能使用一次，一般可单独飞行数天到十几天，也能作为往返于地球和空间站之间或地球和月球之间及地球和其他行星之间的太空“渡船”；还可与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。目前发射最多、用途最广的飞船是卫星式飞船。卫星式飞船实质上就是更大的人造地球卫星，不过它能载人，因此它要比人造卫星大得多，要有专门的防辐射的增压舱及生命保障系统、应急救生系统和回收系统等。中国第一艘载人飞船“神舟五号”就是一艘卫星式飞船，它由轨道舱、返回舱和推进舱组成。轨道舱是宇航员生活和工作的地方；返回舱是飞船的指挥控制中心，航天员乘坐它上天和返回地面；推进舱为飞船的飞行和返回提供能源和动力。

（4）空间站

空间站是宇航员在太空轨道上生活和工作的基地，又称轨道站或航天站。空间站实际上是巨大的载人飞船，一般设有工作舱、服务舱、对接舱，并有巨大的太阳能电池板，空间站上进行的科学研究及实验主要是考察长期失重的影响和失重下的一些科学实验。美国有天空实验室，前苏联有礼炮号空间站、和平号空间站。国际空间站是人类历史上最庞大的航天工程，共有16个国家参与研制和运行。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、对接过渡舱和太阳能电池板等部件组成。

（5）航天飞机

航天飞机是世界上一种可重复使用的航天运载器，也是一种多用途的航天器。载人飞船、空间站都是一次性使用，耗资很大，因此需要发展一种可以重复使用的运载工具，降低成本，这就是航天飞机。航天飞机集火箭、卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入太空，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。航天飞机由一个轨道器、两个固体助推器和一个大型外挂油箱组成。世界上到目前为止共有7架航天飞机轨道器，它们是“企业” 号（试验机）、“哥伦比亚” 号、“挑战者” 号、“发现者” 号、“阿特兰蒂斯” 号和“奋进”号以及俄罗斯的“暴风雪” 号。由于前苏联社会动荡和解体，“暴风雪”号始终未能投入使用，其继承者俄罗斯由于经济原因取消了“暴风雪”号航天飞机计划。目前，一种无需助推器和外储油箱、具有航空器和航天器两者特性的“空天飞机”正在研制试验中，如美国的“冒险星”计划。“空天飞机”将填补传统的航空器和航天器飞行范围之间的“真空地带”。

火箭和导弹的差别

1.火箭

火箭有时指火箭发动机，有时又指以火箭发动机为动力的飞行器。作为完整飞行器应为后一种说法，即火箭是以火箭发动机为动力的飞行器。

火箭发动机按使用的能源分为化学火箭、核火箭和电火箭。化学火箭又分为固体火箭、液体火箭和混合推进剂火箭。以火箭为动力的飞行器按用途可分为无控火箭、探空火箭和运载火箭三类。其中，运载火箭的有效载荷既可以是战斗部，也可以是各种航天器。

无控火箭弹（炮）为近程无控单级火箭，带有弹头。通常设计简单，无制导系统，命中精度较差，但可多发齐射，覆盖面大，弥补了精度之不足。可车载或机载发射，机动性较好，比火炮使用方便，破坏威力也较大。例如，第二次世界大战时期前苏联著名的柯秋莎火箭弹，其巨大威力曾让德国法西斯吃尽了苦头。

探空火箭是在近地空间进行探测和科学试验的火箭。探空火箭一般为无控火箭，具有结构简单、成本低廉、发射方便等优点。利用探空火箭可以在高度方向探测大气层结构成分和参数，研究电离层、宇宙射线、太阳紫外线和x射线、陨尘等多种日-地物理现象。探空火箭比探空气球飞得高，比低轨道运行的人造地球卫星飞得低，是30—200km高空的有效探测工具。

2.导弹

导弹是一种武器系统，因此完整的应叫做导弹系统，它应包括导弹及其地面设备。导弹本身一般由战斗部、动力系统、制导系统及弹体四大部分组成。

导弹按发射位置和目标可分为：地地导弹、地空导弹；空地、空空、空舰导弹；舰舰、舰地、舰空导弹；岸舰导弹；潜地、潜舰导弹。

导弹按攻击目标分为：反飞机、反舰、反潜艇、反坦克、反雷达、反辐射和反弹道导弹等。其中，反雷达导弹是指利用敌方雷达的电磁辐射进行引导，摧毁敌方雷达及其载体的导弹，又叫反辐射导弹。在电子对抗中，它是对雷达硬杀伤最有效的武器。

导弹按作战使命可分为战术导弹和战略导弹。战术导弹是指用于打击常规目标的导弹。战略导弹是指用于打击战略目标的导弹，通常携带核弹头，用于打击政治和经济中心、军事和工业基地、核武器库、交通枢纽等目标，以及拦截来袭战略弹道导弹。战略导弹按射程分为中程、远程和洲际导弹。

导弹按弹道及结构特点可以分为弹道式导弹与有翼式导弹。弹道式导弹是指在火箭发动机推力作用下按预定程序飞行（称为主动段），关机后按自由抛体轨迹飞行（称为被动段）的导弹。有翼导弹又分为巡航导弹和可作高机动飞行的导弹（一般为十字形翼面）。巡航导弹是指依靠喷气发动机的推力和弹翼的气动升力，主要以巡航状态在稠密大气层内飞行的导弹。

航天技术的应用

1.天文观测和深空探测

天文学是一门十分古老的科学。在人造卫星上天之前，人们只能在地面上，由天文台利用望远镜和射电望远镜观测天体。由于大气层的存在，天体发出的绝大部分光和电磁辐射都被大气遮挡了，只有一小部分能够到达地面，地面观测结果往往很不完整。同时由于大气的折射和色散，天体的位置和颜色失真，难以了解宇宙的真面貌。而且地面上观测天体还要受到天气的限制，阴天、雨天以及白天的阳光下观测天体都会有不少困难。

航天技术的发展使天文观测发生了质的飞跃，人造卫星可以将各种观测仪器送到几千公里高度的大气层之外的太空，或者由天文学家乘坐飞船或航天飞机到太空去，在那里没有大气的遮拦，可在全波段范围内对太阳、月球、行星以至整个宇宙进行观测。空间天文观测促进了一门新学科——空间天文学的形成，它的重要价值在于使人类摆脱长期受地球大气束缚的状态，大大扩展了宇宙天体电磁辐射的观测范围，改变了数千年来只在可见光和射电两个狭窄波段上“坐井观天”的局面，为人类进一步探测和了解宇宙创造了有力的手段。

天文卫星就是装载有各种天文观测仪器的人造卫星。现已发射的天文卫星按照观测目标的不同可分为两大类：以观测太阳为主的太阳观测卫星和以探测太阳以外天体为主的非太阳探测天文卫星。世界上第一颗天文卫星是美国在1960年发射的“太阳辐射监测卫星”，这一系列的卫星至1976年共发射了10颗。它主要用于探测太阳的紫外辐射和X射线，在周期为11年的整个太阳活动周期内进行连续监测并提供实时观测数据，据此预报太阳的质子和电子事件。美国从1962年开始发射专门观测太阳的“轨道太阳观测台”系列卫星，至1975年共发射8颗。它的主要任务是对太阳紫外线、X射线、γ射线、日冕、耀斑等进行综合观测，持续进行了整个太阳活动周期的观测，获得了大量观测数据和谱线强度测量资料。欧洲在1995年发射的“太阳和日球观测台”主要任务是观测太阳表面、日冕和太阳风，都取得了大量的新成果。

已发射的非太阳探测天文卫星也不少。这些天文卫星除了可见光观测卫星外，还包括红外天文卫星、紫外天文卫星、X射线和γ射线天文卫星等。这些天文卫星都有专门的用途，探测不同射线特性的天体。如美国1968年和1972年发射的“轨道天文台”，是最早专门用于紫外线观测的天文卫星；1970年发射的“小型天文卫星”则是专门探测X射线的天文卫星；苏、法、丹麦联合研制的“石榴石”卫星，主要任务是对γ和X射线源进行观测。从20世纪90年代开始，美国实施“大观测计划”，即发射4颗大型天文卫星，以便进行全波段观测。它们是“哈勃”空间望远镜、“康普顿”γ射线观测台、“钱德拉”X射线望远镜和红外空间望远镜等。这些卫星是当代最先进的天文卫星，突破了地球大气层对各种天体辐射的阻挡，获取了来自宇宙空间全波段的电磁辐射，取得了许多重要的成果。例如，通过“哈勃”望远镜，大大增进了人类对宇宙大小和年龄的了解；证明了某些宇宙星系中央存在超高质量的黑洞；探索到宇宙诞生早期的“原始星系”，使天文学家有可能跟踪宇宙发展的历史；清楚地显示了银河系中类星体这种最明亮天体存在的环境；发现木卫二和木卫三的大气中存在氧气；拍摄到第一辐太阳系外的行星图象。“康普顿”γ射线观测台使宇宙射线的观测范围扩大了300倍，曾观测到银河系中喷射出来的反物质粒子云，在天文学界引起轰动。“钱德拉”X射线望远镜发现了宇宙中存在大约7000个X射线源；通过红外天文卫星的探测了解到宇宙中充满尘埃的地方远远比早先知道的多得多。

目前世界上已经发射了许多不同用途的天文卫星。随着航天技术和天文探测的深入发展，更先进的天文卫星会越来越多，从而不断深入地揭示宇宙的真实面目。

2.空间物理探测

宇宙空间发生的各种物理现象，如太阳电磁辐射、粒子辐射、磁暴、宇宙线、地球的高层大气、电离层、地磁场、微流星等，直接影响着人类生存的地球，也影响着人类的航天活动 。长期以来，人们不断地利用各种方法对宇宙空间进行研究和探测，但在地面隔着大气层进行观测，“鞭长莫及、隔靴搔痒”，总是收效甚微。人造卫星出现以后，为空间物理探测提供了崭新的工具。由于卫星可以发射到不同的高度，可以不受低层大气的影响， 直接对空间各种粒子进行定量的研究和探测，进而对物理过程的规律进行分析，了解空间物理现象发生和变化的原因，为防护和利用提供准确的资料。

人造卫星出现以后的40多年来，世界各国为空间物理探测共发射了500多颗卫星。它们探测了日地空间环境，测量了地球重力场、磁场的大小和形状；发现了地球上空600～6000km之间的两条辐射带以及1000km高度由氩和氦组成的地冕；证实了太阳风的存在以及从距地表6000～10000km高度延伸到60000km处的磁层的存在；还研究了太阳辐射中各种波长的电磁波、各种成分的带电粒子对日地空间环境的影响，特别是与地球磁场、电离层、臭氧层等相互作用的物理过程，太阳能量变化对地球环境及生物圈的影响，以及辐射环境对微电子器件的影响等。这些探测和研究都取得了丰硕的成果。

为了进行空间物理探测，我国发射了多颗“实践号”空间物理探测卫星。1981年9月发射的“实践2号”卫星，近地点高度237km，远地点高度1622km。卫星上装有热电离计、太阳X射线探测仪、太阳紫外线探测仪、磁强计、闪烁计数计、半导体电子方向探测器和半导体质子方向探测器等，取得了有关地球磁场、高层大气密度、太阳紫外线、太阳红外线以及带电粒子辐射背景等大量有用的数据。1994年2月发射的“实践4号”卫星，装备了能探测包括电子、质子和重离子等多种成分，探测能量更宽的多种仪器，使我国首次获得了距地面200～36000km高度的空间环境参数和高能粒子效应资料，为空间环境研究提供了比较完整的对比数据。1999年5月又发射了“实践5号”卫星，装有微重力流体实验设备和多种探测仪器，为我国微重力科学和空间物理探测取得了许多有用的数据。

3.空间生命科学研究

空间生命科学是研究空间环境条件下生物生命活动的现象和本质的科学。它的研究对象包括微生物、植物、动物和人类本身，研究范围包括空间环境对生物体影响的空间生物学和空间医学，地球以外天体以至遥远宇宙空间生命现象的地外生物学。这一空间科学领域由空间生物学、空间医药学和地外生命科学等组成一个完整的科学研究体系。目前，空间生命科学研究的重点是空间环境对各种生物细胞和器官的影响，特别是空间辐射和微重力对生物发育、修复、免疫和骨骼等的影响程度，以及防治失重和辐射引起的免役功能改变、骨质丧失、肌肉松弛、空间运动病和细胞组织再生能力损伤等症状。

前苏联是最早开展空间生命科学研究的国家。1958年苏联发射的第二颗人造卫星就载有一条小狗进行生命科学实验。从1966年起又发射了10颗“宇宙”系列生物卫星，用昆虫、鱼、大白鼠、兔和猴等进行实验。“礼炮号”与“和平号”空间站上天以后，又利用空间站开展数百项生命科学实验。如在“和平号”空间站上就开辟了一个温室，航天员栽培了100多种植物，用以研究失重环境对植物生长的影响。大多数植物在太空完成了播种、发芽、生长、开花、结果的全过程，证明太空也适于植物生长。还多次用猴子、家犬、老鼠进行实验，观测失重条件下鹌鹑蛋的发育和孵化、果蝇的产卵和繁殖、蜜蜂筑巢、红鳟鱼卵孵出鱼苗等。航天员还将生物样品，如装有氨基酸、细菌、蛋白质的容器放置在空间站外5000小时，研究在紫外线照射条件下生物材料的稳定性和反应。

美国自1967年开始发射生物卫星，航天飞机从1982年开始就搭载植物种子到太空，观察在失重条件下的发芽生长情况；带各种小动物到太空，研究它们在失重条件下的活动反应和发育情况。1984年4月“挑战者号”航天飞机升空，搭载有蔬菜、水果、花卉等120个品种的种子，研究宇宙辐射对植物种子的效应和失重状态对种子萌芽的影响。1992年9月升空的“奋进号”航天飞机搭载有180只大黄蜂，7600只果蝇和30只受精鸡蛋，进行了19项生物学实验，观察了它们在失重环境下的繁殖和行为。1993年10月“哥伦比亚号”航天飞机上天，载有48只老鼠，研究它们从微重力环境返回重力场后的适应过程。1995年7月“发现号”航天飞机载有10只怀孕的老鼠和其它生物活体上天，研究太空失重环境对发育和生育的影响。1998年4月“哥伦比亚号”航天飞机上天，载有1500只蟋蟀，233尾鱼，152只老鼠和135只蜗牛，研究了太空环境对动物神经系统的作用，还有11项实验以航天员为对象，研究了太空环境对人类的影响。

我国自1987年开始，利用返回式卫星先后搭载了水稻、小麦等50多种植物300多个品种以及微生物、蚕卵等，开展了空间生命科学研究，并进行了航天育种的实验，取得了显著的成绩，这在前面的9.1.1节已作了介绍。在1990年10月发射的第12颗返回式卫星上，搭载了两只小白鼠和果蝇、蚕卵等，进行了动物心血管功能、免役功能和生物遗传方面的实验，取得了宝贵的实验数据。果蝇完成了空间产卵、孵化、生殖生长的全过程，蚕卵也经过了在空间孵化发育的全过程，从而研究了空间环境因素对这些昆虫遗传、生殖和胚胎发育的影响。