和学技术前沿系列外书 1.航天技术的研究范俦 航大技术( space technology)既是一项高技术,又是一项系 统工程。它涉及到微电∫、能源、材料、自动控制、计算机、推进 动力、测控、热控、结构Ⅰ艺、环境模拟、仿真等技术,包括了物理 学、化学、数学等基础学科,因而航天技术的研究范畴就是如何 在航天领域实现和运用上述技术和学科。由此可见,航天技术 是一个国家的科学研究、基础工业和经济实力的集中体现 航天技术发展初期,航大技术的研究主要解决“有无”问题。 随着科学技术的发展,航天技术的研究向着“低成本、长寿命、高 叮靠性”发展。 (1)运载器技术的研究 运载器( launch vchicle)的研究目的是降低运送货物和人员 到地球低轨道的费用。从这一∏的出发,20世纪90年代之后 运载器的研究內容为单级运载器入轨和可重复使用。单级运载 器有两种,一种是能在普通飞机跑道上起降的空天飞机 ( aerospace plane)。另·种是具有类似飞机操作性能,能垂直起 降或水平起降,或垂直起飞水平着陆的单级火箭。 为了适应单级人轨和重复使用这两个研究内容,运载器各 分系统的研究主要在新型热防护材料和推进动力两方面。 推进动力方面研究有空大飞机用的超音速吸气式冲压发动 机;单级火箭用的,能使用两种以上燃料的火箭发动机。其他动 力研究有:用于地面起飞的核动力火箭,在轨道上使用的电推 进、离子推进、激光推进和太阳动力推进等。在燃料方面的研究 有新型烃类碳氢化合物,提高液氢密度减少液氢贮箱容积的浆 状氢和冰晶状氢。 为达到重复使用的目的,新型热防护材料应具有较高的强 度/重量比、耐高温和多次使用易维护的性能
一一科学技术前沿系列丛书 响和改变着地球环境。 70年代的航天技术还不能胜任研究地球环境的任务,那时 的对地观测是分散的、单一的,使用的电磁波段也有限。到了 90年代,航天技术已能发射几吨,十几吨重的航天器,遥感技术 和地面处理技术也日趋完善和成熟,它们的发展提供了系统研 究地球环境的可能性,因而才能把地球作为个大系统来研究。 爾绕全球能量、岩石圈、水圈、牛物圈和大气圈,从空间高远位置 上,以遥感技术为主,多学科、多电磁波段、多层次观测它们的相 互作用、循环过程和物理化学变化,建立地球系统诸因素相互作 用的机理和地球系统的预测模型。 地球坏境的硏究内谷包括跟踪全球的环境变化,研究陆地 海洋和大气间复杂的相互影响关系;监观全球生物,研究人类、 动物和植物是怎样与地球相互作用,又是怎样影响地球的然 过程;队观测热带降水和热带能量收支入手,研究异常气候的奥 秘;研究控制全球变化的物理学与化学等环境数据的变化趋问, 预测未来的趋势,有助于制定“地圈一生物圈”计划,制定保护地 球的对策。 系统研究地球环垲的一项航天计划称为“行星地球使命”计 划(MPE)。它是-项综合测量和研究大气中的臭氧层和氧 化碳含量、地球能量收支(太阳辐射的输入输出)热带降水和海 洋、植被和生态等环境因素,并寻求对策的庞大汁划灬 (2)天体物理学 过去的天体物理学研究仅是通过轨道上的望远镜和其他观 测仪器发ˉ些新星、类星体,编绘星图等低层次探测研究上 自1989年哈物空间望远镜进入空间飞行后,天体物理学的观测 研究进入了新阶段。从现在至21世纪初,人类利用各种天文卫 星和空间站,开展长达一二十年,高灵敏度全电磁波段(红外、紫 外、射线、y射线、微波)观测,研究天体大气中的元素成分、物
一科学技术前沿系列丛书 理要素、电磁辐射过程、天体视向速度、自转情况等物理化学数 据。研究的内容已发展到宇宙起源、天体演化、重力本质、黑洞、 类星体、中子星等,以获得天体图样,揭示天体的真实面貌。 3)空间环境 地球大气层以外的区域称为宇宙空间,或称为空间、太空 ( space);距离地球约等于或大于地一月距离(约3.48×105km) 的宇宙空间称为深空( deep space)。空阃环境研究的区域是从 太阳表面开始,包括行星际空间、地球磁层、电离层和大气层,也 就是日地环境。这一区域是人类进行航天活动的主要区城,同 时日地环境与地球环境密切相关。 航天活动初期,人类就利用气球、探空火箭和人造地球卫星 探测地球大气层外空间环境,因而早期的空间环境研究处于发 现时期,探测空间环境的自然现象。以后的空间环境研究发现 太阳是影响日地环境的主要因素。例如太阳风与地磁场相互作 用产生一系列地球物理现象,如极光、磁暴、短波通信的中断、长 距离输电的波动等,这种现象叫“日一地现象”。因此,自90年 代起,空间环境的探测和研究强调把太阳和地球作为一个系统, 即日一地系统。其核心是国际日地物理计划(ISTP)和日地能 量计划(STEP),其研究对象包括太阳大气、行星际介质、地球的 磁层、电离层以至大气构成 日一地系统的研究内容有以下几个方面。太阳辐射的各种 波长电磁波、各种成分的带电粒子是如何影响日地空间,特别是 与地球磁层、电离层、臭氧层的物理过程和影响它们的状态;太 阳能量的变化对地球环境的耦合和扰动,乃至对生物圈的影响; 辐射环境对微电子器件的影响;在轨道上人为释放某种化学物 质、高能粒子等,模拟太阳风粒子进入磁层和电离层后的现象; 长期(一二十年)监测空间环境参数,积累太阳活动的周期变化 数据,建立日地空间的“天气”预报,预报这些参数的变化情况
科学技术前沿系列丛书— 何时发生、特征如何等等。 (4)生命科学 生命科学是利用航天技术提供的条件,在空间失重环境和 辐射环培中,究生物生翁活动的夲质和现象。 从80年代末,牛命和学的研充向纵深发展,已不再是测量 动物的生理数据,发现一些异常的生理现象,不再是植物种子在 经过它间飞行后,在地面种植,观测它的发育生长。例如,在地 球上建立生物圈”实验室,模拟地球供人类生存的小生态系统, 积累未米人类在月球和火星上生存的经验。在空间站及可回收 的空间平台上放資从单细胞生物、低等植物、无脊椎动物、小哺 乳动物、灵长类动物等不同进化水平的各种生物,研究的主要内 容有失重环境在细胞和器官这一级上有什么影响?生物在这种 环境能进行损伤修复、再生和生长吗?辐射和微重力效应之间 是否存在某种关系?如果存在,那是什么关系?是否存在重力 影响的某一阌值(界限)?如果存在,对各种不同系统(发育、修 复、免疫、骨骼等)这个阈值是多少?怎样使地面基础研究能较 好地代表在空间发现的影响?等等。除∫上述基础研究外,还 研究药物(包括中医药)和器械治疗失重和辐射引起的免疫功能 改变、骨质丧失、空间运动病、细胞组织的再生能力损伤等症状。 生命科学的另一个研究范畴是寻找地外生命和研究生命起 源。60年代天文学的四大发现之一是,在星际空间和星周物质 中存在分子,其中大多数是有机分子,这一发现揭示了,宇宙空 间可能存在氨基酸。由此可见,生命在地球上进化,在其他星球 上也可能存在和进化。因此,找地外生命,在宇宙空间及其他 星球上寻找简单的有机分于是90年代及其之后空间科学的一 项研兖内谷 航天科技已经在这方面有所贡献,在先驱者号和旅行者号 星际探测器上携带人类信息,期望地外生物截获后,能沟通信
一和学技术前沿系列丛书 息,建立联系;科学家决定重返火星探测,寻找形成生命的无机 化合物和有机化合物。 (5)材料科学 空间材料科学是在重力效应近乎消失的空间微重力环境 中,研究和试验性能全新的材料的一门科学,它和生命科学的 部分合称为微重力科学( microgravity sciences)。 如众所知,对流、沉积、浮力和静压力这类现象皆起因于重 力,重力效应在液体和气体中特别明显。在空间失重环境中,这 些现象都消失了。而另一些现象却变得突出:液体的表面张力 能使液体不和其他物体接触时,紧紧拖成…-团,在空中悬浮;和 其他物体接触时,液体在物体表面能无限制自由延展;毛细现象 加剧了液体的浸润性;气体泡沫均匀地分布在液体中。 早期的材料科学研究是在航天器上试验和制造各种合金、 复合材料、半导体晶体、玻璃等材料,试验焊接、铸造、无容器悬 浮熔炼等空间加工工艺。这些活动只是微重力环境的应用。 航天科技发展到现在,材料科学研究已向纵深发展,既要知 道微重力环境下产生的物理现象,研究这种物理现象的机理;又 要知道在地球重力环境下,究竟是什么因素在限制材料加工。 空间材料科学是航天技术开创的新领域。它始于70年代, 至今还处于实验研究和原理验证阶段。90年代之后的材料科 学研究将从流体静力学的、较为简单的实验转向临界现象和稳 定性的研究,增加对空间材料加工过程中特殊现象及其规律性 的探讨。 彐、舵天科学技术发展简史 航天科技的发展历史经历了从神话传说、科学幻想、科学探 索到发射第1颗人造地球卫星等阶段,其中穿插着航空发展和