大纲：
一、航天技术的发展
二、火箭技术与动量、机械能守恒
1. 火箭推进原理
2. 多级火箭
三、人造卫星技术
1. 人造卫星的运行轨道
2. 人造卫星与通信技术
四、载人航天技术
1.
2.
3. 载人航天工程七大系统 载人航天器的种类及其特点 航天飞机的构成、运行过程
五、登月技术与火星探测
1. 登月技术
2. 火星探测
六、中国航天史
航天与物理学
“火箭之父”俄国科学家齐奥尔科夫斯基说过“地球是人类的摇篮。人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼地穿过大气层，然后再去征服太阳系空间”。开发宇宙，是人类长期以来的梦想，随着科学技术地不断发展，高新技术不断地涌现，20世纪50年代开始兴起的航天技术使人类飞向宇宙的梦想得以实现。
航天，是相对于航空而言，它是指人类冲出大气层克服地球引力在太阳系内进行的行星际航行及其有关的活动。用于航天的人造天体称“航天器”有火箭、人造卫星、载人飞船、航天站、航天飞机及行星际探测器等．航天器的运行轨道以地球为中心的称‘近地”，以月球为中心的称‘近月”，以太阳为中心的称‘近日”，当然也可以环绕其它行星运行。
一、航天技术的发展
人类很早就有了航天的思想，我国古代流传的“嫦娥奔月”、‘吴刚砍桂”等传说故事，就是对人类航天理想的生动描绘之一。当然，人类真正实现这种理想是到19世纪末才开始起步的．从那时起，相继涌现出俄国的齐奥尔科夫斯基，美国的戈达德和德国的奥伯特等富于探索精神的航天先驱者。俄国的奥尔科夫斯基最早从理论上证明用多级火箭可克服地球的引力而进入太空，建立了表征多级火箭理想速度的著名的齐奥尔科夫斯基公式。而且他肯定了液体发动机是航天飞行器最适宜的动力装置。美国的戈达德是液体火箭的创始人。他曾指出，要克服地球引力，火箭必须具有每秒79公里的速度。他在1921年开始研制液体火箭发动机，1926年3月16日，他研制的液体火箭飞行成功。德国的奥伯特也是最早的火箭和航天的理论家和实践者。1923年奥伯特论述了火箭飞行的数学理论，并对火箭结构和星际飞行提出了许多新观念。到了1942年10月3日，德国太空协会的青年专家布劳恩领导的航天研究小组，经过艰苦的探索，在总结历次失败教训的基础上，终于发明了再生冷却式燃烧室和燃气舵等新技术。采用这些新技术，终于获得弹道导弹（V —2）的发射成功。从而在工程上实现了航天先驱者的技术思想，取得向地球引力挑战的胜利，并对后来大型火箭的发展起到了继往开来的重大作用。堪称是人类航天发展史上的一个里程碑。
第二次世界大战后，前苏联和美、法、日、加拿大、澳大利亚等国家，都先后发射了探空火箭，创造出发射393公里高度的纪录，获得了许多高层空间的宝贵资料，为发展航天奠定了科学基础。经过10多年的艰苦探索之后，于1957年10月4日，前苏联把世界上第一颗人造地球卫星送入大气层外的运行轨道，开创了人类航天史的新纪元。以后，美、英、法、日和中国、印度等国均成功地发射了人造卫星。自60年代中期开始，卫星的发展便从探索试验转入实用阶段。如今，人类发射的侦察、预警、通信导航、天文
气象、海洋监视、测地探矿等应用卫星巳超过2500颗。它们在经济、军事和科研中发挥了非常大的作用．
随着航天技术的发展，人类不断刷新航天纪录．创造出一个个惊人的奇迹。诸如：1961年4月12日开辟了载人航天的成功之路；从1959年开始又开创了对月球的探测和人类登月考察的新篇章；自70年代起，人类对太阳系中的行星先后进行了探测，前苏联和美国并相继在空间建立了航天站；80年代初又发明了能重复使用的航天飞机等等。这些令人鼓舞的成就，对航天技术及其它科学领域的发展都具有深远的历史意义。
二、火箭技术与动量、机械能守恒
1. 火箭推进原理
所有航天器的发射都依靠火箭技术，而火箭的飞行是遵循着质点系动量定理和动量守恒的。竖立在发射架上的火箭本身带有燃料和氧化剂，火箭在发射前总动量为零，当点火燃烧后，高温高压的气体不断从火箭尾部的喷管往后喷出，从而使火箭获得向上的巨大推力，克服自身的重力，向太空冲去。下面我们看一下火箭所受的推力大小和火箭的运动速度。
（1） 火箭推力大小
运载火箭的推力是火箭设计中的一个重要指标。当燃气从大气尾部喷出时，将产生的一个推力使火箭升空，这个推力可近似由下面的方法计算。
将总系统分为火箭和喷出气体两个子系统，假设总系统在t 时刻向上运动的速度为v ，在dt 时间内喷出运动速率恒为u 的燃气，质量dm 2。则可以计算燃气在dt 时间内的动量变化：t 时刻：燃气对地速度为 v，
动量为 vdm2 ，t ＋dt 时刻：燃气对地速度为（v ＋dv －u ），动量为（v ＋dv －u ）dm 2 ，所以动量的变化为dvdm 2－udm 2，如果略去两级小量dvdm 2，可得燃气的动量变化为－udm 2。按动量定理，燃气受到的箭体的推力为：F =-u dm 2
dt ， 它的反作用力就是火箭受到的燃气的推力：
dm 2
dt F ＝u ， （1）
dm
dt 结果表明火箭推力正比与喷气速度u 和喷气质量流量
2500m/s，dm
dt 22。例如运载阿波罗等月飞船的火箭，它的u ＝7＝1.4×10kg/s，代入公式可得：F ＝3.5×10N 。 4
（2）火箭的速度
火箭是依靠连续不断的喷出大量质量m 极小的燃料气体才得到连续平稳的加速上行。为了进一步说明火箭在这一过程中获得的速度，先不考虑地球的重力作用，将质量为M 的火箭中的燃料燃烧后喷出的燃料气体看成质量为m （远小于M ）、相对火箭速度为u 的细小弹丸，由于火箭不受任何外力，因此火箭系统总动量守恒，当弹丸以速度u 向后喷出，火箭就获得与弹丸等量而方向向前的动量，由于燃料不断燃烧，火箭体的质量就不断减小，因而火箭是一个变质量体系，我们用动量守恒来计算火箭最后得到的速度。
首先看一下火箭和燃料的质量关系，在t ＝0的时刻火箭的总质量M ，在t 时刻火箭的质量为M(t)；到t 时刻为止已喷出的燃料气体质量为m （t ）。因为在这过程中，系统的质量是守恒的，我们可以得到：
M （t ）＋m （t ）＝M
微分后： dM ＋dm ＝0
或者 dM ＝－dm
即在dt 时间内喷出气体的质量dm 等于火箭质量减小的质量dM （dM
再看火箭和燃料的速度及动量关系，设t 时刻火箭的速度为V(t) ，此时它的动量为M(t)V(t) ；在 dt 的时间内，设火箭速度的增量为dV ，则在t ＋dt 时刻，火箭的速度为V ＋dV ，动量为（M ＋dM ）（V+dV）；dt 时间内以恒定速率u 喷出的燃料质量为dm ，动量为dm （V －u ）；由动量守恒，
可得： MV=(M+dM)(V+dV)+dm（V －u ）
略去高阶无穷小量后，可得： MdV=－udM
注意此时的M 与V 均是时间的函数。将其写成： dM
M =-1
u dV
将其积分，设火箭初始速度为0，质量为M ，最后的质量为M e ，速度为V ，可得：
⎰M e dM
M M =-u ⎰dV 0V
所以： V=ulnM
M e （2）
当然我们还要考虑到地球引力和空气阻力的存在，由于它们与燃料燃烧所产生的推力相比极小，不影响动量守恒，但是不可避免有引力损失和阻力损失，所以火箭最后获得的速度要比这个计算值要小一点。
（3）机械能守恒和三个宇宙速度
知道了火箭能达到的速度，我们自然就想到人类要飞向月球或者其他行星需要的速度又是怎样的呢？通过我们的理论学习我们已经知道了，现在作一简单回顾。根据我们所学的机械能守恒定律，在航天器飞离地球（即r 增大的时候），机械能守恒定律可表示为：
1
2mv 2-G M e m
R e =12mv (r ) -G 2M e m r （3）
由此可得三个宇宙速度：
第一宇宙速度：在地面上发射一航天器，使之能沿着地球的圆轨道运行所需的最小发射速度，称为第一宇宙速度。此时的半径r 约等于地球半径R e ，由（3）式和mv
GM
R e 2r =G M e m r 2可得到第一宇宙速度v 1为 v 1=
e =7. 9(km /s ) （4）
第二宇宙速度：在地面上发射一航天器，使之能脱离地球的引力场所需的最小发射速度，称为第二宇宙速度。此时的势能、动能为0，所以可计算得出v 2为
v 2=2GM R e e =11. 2(km /s ) （5）
第三宇宙速度：在地球表面发射一航天器，使之不但要脱离地球的引力场，还要脱离太阳的引力场所需的最小发射速度称为第三宇宙速度。第三宇宙速度的计算略微复杂一些，可以得出v 3=16.7km/s。这样地球上一个速度超过v 3的航天器就能够先摆脱地球引力场，再摆脱太阳引力场的束缚，飞入茫茫宇宙之中。
2. 多级火箭
从以上的分析可知，要想航天器上天，至少要获得7.9km/s 的速度，而要到达其他行星或是其他星系，则需要更大的速度，而我们在制造火箭的时候，航天器的构造自然是希望越简单越好，那么一个单级火箭是否能够达到第一宇宙速度呢？由（2）式可知。要想火箭得到大的速度，就必须增大燃料气体的喷射速度u 和增大质量比M/Me。我们先看燃料气体的喷射速度，它受到诸多因素的影响，一种液态的常规燃料是偏二甲肼（ H —N —N —CH 3）加四氧化二氮（N 2O 4），燃料后气体的速度u 接近2km/s，另一种非常规的燃料（如液氢加液氧）做推进剂，其喷射速度可达4km/s。同时由于火箭上所装载的仪器设备等的影响质量比M/Me 也有所限制，大约在10到20之间。在这样的条件下，我们可以对一级火箭所能达到的末速度做一估计，设u ≈4km/s，M/Me≈15。则由（2）式得：v 1≈4ln15=10.8（km/s）这并不是火箭真正能达到的速度，必须考虑地球引力和空气阻力的影响等，所以最终的单级火箭的速度只可能达到7km/s左右，小
于第一宇宙速度7.9km/s，无法将航天器送上天。
实际的火箭通常为多级火箭，是用多个单级火箭经串联、并联或串并联（即捆绑式）组合而成的一个飞行整体。例如一个串联的三级火箭，它的工作过程为：当一级火箭点火发动后，整个火箭起飞，等到该级燃料燃烧完后，将自动脱落，以便增大以后的火箭的质量比。同时第二级火箭自动点火继续加速，直到燃料耗完也自行脱落，下一级再开始工作。直到最后达到所需的速度。我们可以计算出一个三级火箭最终能达到的速度为：
v f =u 1ln N 1+u 2ln N 2+u 3ln N 3 （6）
比如美国发射“阿波罗”登月飞船的运载火箭-----“土星5号”：它的总质量为2800吨，高约85米，三级的喷气速度分别为u 1=2.9km/s，u 2=4km/s，u 3=4km/s；三级的质量比分别为N 1 =16，N 2 =14，N 3 =12，代入
5km /s ）。 （6）式得到 v f =2. 9ln 16+4ln 14+4ln 12≈28. （
当然由于上述的原因，火箭可达到的最终速度要比此值小，但已经大于第二宇宙速度，足够完成登月的任务了。
三、人造卫星技术
1. 人造卫星的运行轨道
在人造地球卫星等航天器的运动中，确定其运动轨道是一个十分重要的问题。现研究
质量为m 的人造卫星（质点）运动轨道。在有心力作用下，卫星作平面运动的微分方程为：
m 2 d r
dt 2μ mM d r =-G r 或 =-r 323r dt r 2
式中M 为地球质量，G 称为万有引力常数。μ是地球的引力常数。 2 2 2 μ d r d r d r d r ⎫ d r d r 因为r ⨯2=r ⨯(-3r ) =0，考虑到 d ⎛+⨯=r ⨯ r ⨯⎪=r ⨯22dt r dt ⎝dt ⎭dt dt dt dt
2 d r d d r 即r ⨯m 2=(r ⨯m ) =0，则角动量守恒，可得角动量： dt dt dt
L =mrv =mr 2d θ
dt θ=L 0 （7）
式中的v θ为速度的横向分量，为垂直于矢径方向上的分量，它取决于入轨的初始条件。
前面我们已经介绍了机械能守恒的式（3），如果以地心为原点的极坐标系中，
v 2=v r 2+v θ2=(
这样（3）式可以写成： E =1
2m [(dr dt ) +(r 22dr d θ) 22dr
dt ) +(r dr
d θ) ]-G Mm
r =E 0 （8）
其中E 0为入轨点的卫星的总机械能，它也是由入轨时卫星的初始状态确定的。
这样在上述的两个式子中，我们只要消去时间t ，就能得到r 与θ的关系，也就是卫星的轨道方程。经过计算，我们可以得到：
r =
L 0
GMm 22p 1+e c o s θ （9） 其中p =，e =+2E 0L 0G M m 2232这也就是用极坐标表示的卫星轨道方程，它是一个以地心为一个焦
点的圆锥曲线的一般方程，p 为曲线的焦点参数，e 是偏心率。
针对此方程，我们还可以做以下的分析：（见图1）
若E 0>0，则e>1,轨道为双曲线；
若E 0=0，则e=1,轨道为抛物线；
若E 0
根据以上r 、p 、e 、θ等之间的关系，就可以对卫星的运行轨道进行
控制。卫星的运行轨道一般由主动飞行段和自由飞行段组成，主动飞行
段通常是卫星变轨发动机的点火工作段，变轨发动机熄灭后进入目标轨
道呈自由飞行状态，成为自由飞行段，变轨控制是使卫星从一个自由飞
行段的轨道转移到另一个自由飞行段的轨道。变轨前后的两个轨道可以
在同一个平面内，也可以在不同平面内。例如，改变P 可引起轨道形状 图1 卫星轨道 的变化，改变偏心率e 可引起轨道性质（如圆、椭圆，抛物线，双曲线
轨道）的变化。在任一位置P 处，改变r 、v 之间的夹角，可以使卫星从一个轨道转到另一个轨道。一般向目标轨道发射卫星可以有以下三种情况：
(1) 一种是在r 0处关机，经过惯性段，然后进入目标轨道（图2）。
(2) 一种是在目标轨道
某点处直接进入（图3）
(3) 一种是先进入一个
停泊轨道，然后由停泊轨道
转移到目标轨道（图4）。
卫星正常运行时，要靠
控制系统保证卫星的轨道
运行，以完成预期的飞行任
务。
2. 人造卫星与通信技术
1957年10月4日，前苏联在哈萨克共和国中部的拜科努尔航天中心成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星——人造卫星1号。这颗卫星虽然很小，直径只有58厘米，重仅83．6千克，内部结构也很简单，只装有一台双频率的小型发报机、温度汁以及电池等，但它却具有重大的历史意义，表明人类有能力把重物推上天空，使它绕地球旋转，宣告了航天时代的到来。1958年1月31日，美国也把它的第一颗人造卫星——探险者1号送入轨道，尽管这颗卫星更轻，仅重8．22千克，但它首次发现了地球周围空间存在着大量被地球磁场俘获的带电粒子区域——地球辐射带。这是航天技术最初取得的重大科学成果。1970年4月24日，我国也成功地发射了第—颗人造地球卫星——“东方红—号”，成为继前苏联、美、法、日之后第五个发射卫星的国家。“东方红一号”
这颗科学实验卫星设备齐全，总重量为173千
克，比前四个国家发射的第一颗卫星的重量之
和还多33千克，并首创在卫星上向宇宙播放
“东方红”乐曲的先例。1975年11月26日．我
国又成功发射了返回型遥感卫星，并经三天正
常运行后，按预定计划顺利返回，成为世界上
第三个掌握此项技术的国家。此后，我国又掌
握了—箭多星技术，于1981年9月20日，首
次用一枚运载火箭把三颗卫星送入各自轨道。
在1984年和1988年，我国还分别成功地发射
了首枚地球同步卫星和首枚太阳同步卫星。
1990年4月7日，用长征三号运载火箭把亚
洲l 号通信卫星成功地送入预定轨道，入轨精
度达到国际先进水平。1997年5月20
日，用
图5
几种不同类型的卫图2 目标轨道 图3 目标轨道直接进入 r 0 停泊轨道 图4 轨道转移
“长征三号甲”运载火箭将“东方红三号”同步通信卫星送入预定轨道；并定点在东经105赤道上空。1997年6月10日，用“长征三号”运载火箭将“风云二号”同步气象卫星送入轨道。1999年5月10日，在太原卫星发射中心用“长征四号乙”运载火箭将“风云一号(C星) ”气象卫星和“实践五号”科学实验卫星两颗太阳同步卫星同时送入轨道，轨道高度为870千米。图5为我国发射的几种不同类型的卫星。
目前欧洲最先进的重型火箭——“阿丽亚娜5型”能将6吨的有效负荷送入高空轨道。美国的“大力神4B ”的起飞推力达到15127千牛顿，也能将近6吨的载荷送入地球同步轨道。迄今全球已发射了约4 000颗各类卫星、转发器和航天器，它们在通信广播、对地观察、导航定位、科学研究以及气象等领域得到广泛的应用。
在人造卫星的大家族里，成熟最早、应用最广的要算是通信卫星了。它向你通报世界各地的最新信息，给你带来五彩缤纷的电视节目，让你欣赏文艺表演和体育比赛，让你获得知识增长才干。可在半个世纪以前，这一切都还只是一个美好的幻想。这是因为用来传输电视的是一种波长很短的无线电波，叫微波，它只能像光线一样沿直线传括。由于地面是弯曲的，所以微波传播不远，就会离开地面，进入太空。过去用微波传送电视，地面上要每隔一段路程建立一个中继站，像接力赛跑一样，把电视信号一站会－站地送向远方。一个50米高的微波中继站，有效传播距离只有50千米左右，例如，从北京到拉萨，有2600多千米，如果依靠微波接力站传送电视信号，沿途需要建立50多个微波中继站。因此，为了把电视信号传送到遥远的边疆、山区和海岛，就必须建立像蜘蛛网似的密布全国的中继线路，需要投入很大的人力和物力。如果遇到大海，海面上是无法建立微波接力站，电视信号也就无法飘洋过海。所以，半个世纪以前，海洋这边的人要想看到海洋那边的电视，是根本不可能的。
俗话说“站得高，看得远”。如果能够把微波中继站建在离地面很高的地方，那么，微波就可以传递得很远。1945年，英国科学作家克拉克发表了一篇论文，名叫《地外中继站》
在这篇文章中，克拉克设想，如果在赤道上空3.58×10km 高度的圆形轨道上，有这么一个微波中继站，它就可以在相隔1.8×104km 的两地之间传输信息，可以把微波传递到大约 40％的地球表面。这样，只要在地球赤道上空的轨道上均匀分布地建立三个中站，就再也不必担心山高路远、大海阻拦，全地球除两极地区以外的地方，都可以收到对方播发的电视节目，还可以进行相互通话。人们要问，怎样才能在离地球3.58×104km 的高度上建立起这样的微波中继站呢？克拉克说，这可以利用人造卫星，将卫星发射到赤道上空3.58×104km 高的轨道上，并且让它按照和地球自转速度相同的速度在轨道上运行，这样，它就会总是悬在地球上空的某一个地方，看上去就好像它始终没有移动，而是“静止”在那里。因此，人们把这种卫星叫做“静止卫星”或称“同步卫星”。但是，当克拉克发表他的设想的时候，运载火箭还没有诞生，人造卫星还没有出世，许多技术问题都还没有解决，在这种情况下要来探讨用“静止卫星”进行全球通信的问题，实在是不切合实际的。因此，有人认为他的这一设想只不过是一个科学幻想。但是，1957年第一颗人造卫星上天以后，仅仅经过6年时间，1963年美国就发射成功名叫“晨鸟”的第一颗静止卫星，在巴西、尼日利亚和美国之间进行了电话和电视转括，实现了克拉克的预言。
通信卫星大都分布在大西洋、印度洋和太平洋上空的地球静止轨道上。目前，世界上洲际间的电话、电报、传真和电视转播等通信业务，巳经大部分由通信卫星来承担。通信卫星的通信容量大，可靠性高，传输距离远，不受地理环境的影响等，优点很多，所以倍受各国的重视和欢迎。
通信卫星为人类的通信活动提供了日新月异的手段。今天，随着互联网的发展，通信卫星巳不再是简单的通信中继站，而成为在太空进行大量信息处理和信息交换的中心，成为信息高速公路的“太空枢纽”。人们可以利用通信卫星在家里直接拨通国际长途电话，无论走到哪里，打开电脑上网，通过卫星就可以同万里之外的亲友交谈，与客户联系业务，坐在家中就可以参加电话会议和指导外科手术，可以通过通信卫星向外国的图书资料中心查阅资料、索取数据。总之，在21世纪，通信卫星将发挥越来越重要的作用。
四、载人航天技术
1. 载人航天工程七大系统
(1) 航天员系统
载人航天首先要有航天员及其上天飞行的保障设施。这是一个航天员为中心的医学和工程相结合的复杂系统。它涉及航天生命科学和航天医学等领域，包括航天员的选拔训练、航天员的医学监督保障、4。
航天员的一样食品、航天员飞行训练模拟等分系统。
(2) 载人飞船系统
飞船是载人航天的核心部分，它为航天员和有效载荷提供必要的生活和工作条件，保证航天员进行有效空间实验和出舱活动，并安全返还地面。
(3) 运载火箭系统
运载火箭是把载人飞船安全可靠送入预定轨道的运载工具。包括箭体结构、动力装置等10个分系统，特别是增加了载人所需的故障监测分系统和逃逸救生分系统。
(4) 飞船应用系统
载人航天工程最终是为了应用，创造效益，因此飞船应用系统是备受关注的部分。它利用载人飞船的空间试验支持能力，开展对地观测、环境监测、生命科学、材料科学、流体科学等试验，安装有多项任务上百种有效载荷应用设备。
(5) 测控通讯系统
当运载火箭发射和载人飞船上天飞行以及返回时，需要靠测控系统通信系统保持天地之间的经常联系，完成飞船遥测参数和电视图像的接受处理，对飞船运行和轨道舱留轨工作的测控管理，这个测控通信系统由北京航天指挥控制中心、陆上地面测控站和海上远望号远洋航天测量船队组成、执行飞船轨道测量、遥控、遥测、火箭安全控制，航天员逃逸控制等任务。
(6) 发射场系统
神舟号飞船的发射场选在酒泉卫星发射中心，发射场系统由技术区、发射区、试验指挥区、首区测量和航天员区组成，形成火箭、飞船、航天员从测试到发射以及上升段、返回段测量的一套完整体系。
(7) 着陆场系统
载人航天这路着陆场系统包括主、副着陆场，陆上应急援救、海上应急援救、通信测量、航天员医保等部分。
2. 载人航天器的种类及其特点
载人航天是指人类驾驶和乘坐载人航天器在太空从事各种探测、试验、研究、军事和生产的往返飞行活动，其目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空，更广泛和深人地认识地球及其周困的环境，更好地认知整个宇宙；充分利用太空和载人航天器的特殊环境从事各种试验和研究活动，开发太空及其丰富的资源。
根据飞行和工作方式的不同，载人航天器可分为载人飞船、空间站和航天飞机三类。
(1) 载人飞船独立往返于地面和空间站之间，如同人类沟通太空的渡船，它能够与空间站或者是与其他航天器对接后进行联合飞行。但是，飞船容积小，所载消耗性物资有限，不具备再补给的能力，所以它的太空运行时间有限，仅能够使用一次。
(2) 与载人飞船相比，空间站容积大、载人多、寿命长，可综合利用，是发展航天技术、开发利用宇宙空间的基础设施。在它上面可对卫星进行修复，也可利用轨道转移飞行器在空间站和其他航天器往返运送物资或航天员，甚至可以在空间站上组装并发射航天器。前
苏联于1971年4月19日发射了世界上第一个空间站“礼炮”1
号；美国于1973年5月14日用“土星”5号改进型运载火箭将
“天空实验室”送入轨道。
(3) 航天飞机是一种多用途航天器，它能满足发射、修理和
回收卫星以及运送人员、物资等需要，可多次重复使用，显著
降低了运载成本，它的出现是航天技术发展的一次飞跃，代表
了载人航天器的发展方向。
3. 航天飞机的组成、运行过程
(1) 航天飞机的组成
航大飞机的总长度 56 m，翼展 24m 。。起飞总质量2 000t。
航大飞机由以下三个部分组成（图6）：固体火箭助推器（2个）、
外置燃料箱、轨道器。
图6 航天飞机的组成 图6
固体火箭助推器：在升空初期提供推力。长度 46 m。，直径 3．7 m，质量 590t 。推力11 700 kN，在升空中占总推力的71％。在使用后分离出去，依靠降落伞减速，降落在海上，可以回收再用。
外置燃料箱：储存主发动机所需的燃料。长度 48 m，直径 8．4 m，总容积 2 ×l0L ，可容纳燃料 719t 。箱内分隔成两部分：前储箱容纳液体氧，后储箱容纳液体氢。采用涡轮泵式输送系统。在使用后被抛弃，最后在大气中烧毁。
轨道器：航天飞机的主体。外形像飞机（图7）。在固体火箭助推器和外置燃料箱分离出去以后，航天飞机就是轨道器。所以往往也把轨道器叫做航天飞机。它主要由以下几部分组成。
1）机身。分为前机身、中机身和后机身三段。
2）机翼、垂直尾翼、舵面。
3）航天员舱。位于前机身，容积为74m 3，可容纳至多8名
航天员。
4）主发动机。是液体火箭发动机，共3台。位于后机身，安
装在球形接头上，可调节推力方向，控制飞行。每台发动机长
4．3m ，直径 2．3 m，质量 3 040 kg。燃料是液体氧和液体氢。
燃烧产物水蒸气以 2780m ／S 的速度排出。每台发动机的推力是 图7 航天飞机的轨道器 6
16682091 kN。为航天飞机升空提供 29％的推力。在固体助推器分离后，主发动机继续工作，直到把轨道器送入轨道，随后外置燃料箱就脱离。
5）轨道机动系统2个。在轨道器的后段，尾翼的两侧。该系统使轨道器精确进入轨道，进行轨道机动以及在最后使轨道器减速而脱离轨道。它们也是液体火箭发动机，利用氦气将燃烧剂和氧化剂从各自的储箱挤压到燃烧室，一接触就自动燃烧。每个轨道机动系统可产生推力 26400 N 。可以起动和关机 1000次，总工作时间可达 15小时。
6）反作用控制组件。在前机身和后机身各有一个，互相配合工作，实现轨道器姿态控
制或轨道微调。由38个固定喷嘴和6个游动喷嘴组成。可控制轨道器移动以及滚转、俯仰和偏航转动。
7）绝热瓦。由于航天飞机（轨道器）返回过程中，以极快的速度（7.9km/s）进入浓密的大气层时，与空气激烈摩擦要产生大量的热（即所谓的“气动加热”），且在距离地面60km 左右，温度变得最高，机头温度可高达到1000—3000ºC ，整个机身变成一个炽热耀眼的火球, ，与地面的无线电通讯都会暂时中断(称为“黑障现象”) 。而航天飞机上有宇航员和珍贵仪器资料，要保证他们经过烈火高温的洗礼后顺利返回地面，它的表面必须覆盖陶瓷绝热材料层，俗称绝热瓦。这种绝热瓦主要由耐高温的碳化物、氮化物、氧化物材料经过现代特殊工艺加工制成，称新型复合高温陶瓷瓦，它由两部分构成，外层包覆的是高辐射陶瓷材料，内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。航天飞机的这种绝热瓦“外衣”（又叫“避火衣”）有31000块陶瓷瓦片，每块长15 ~ 20cm、厚05 ~ 9cm，每片价格2000 ~ 3000美元。使用时将它们拼接起来，仿佛中国古代的“金缕玉衣”一般，非常合身。这样做法有两个好处：一是每个陶瓷片之间都留有微小空隙，可以防上受热变形互相挤压而损坏；二是如果个别陶瓷片毁坏，修理起来方便。航天飞机的机头和机翼的前缘，温度最高，必须重点保护，通常使用最厚的“陶瓷瓦片”。
当航天飞机返回地球通过大气层与空气剧烈摩擦产生大量的热时，绝热瓦遇到高温时会自己先燃烧起来，其中大量的有机物会发生化学分解和气化，带走大量的热量，并在燃烧自己的同时，还形成了一层厚厚的多孔炭化层，紧紧地附着在轨道器的外壁，这一层炭化层具有极好的隔热效能，在它严密的包裹下，能有效地防止外界热量传入舱内。它的双重奇妙功能，使轨道器中的温度可以保持正常，一般在35ºC 以下，十分安全。
经科学家研究表明，“避火衣”是保证轨道器安全返回地面的关键设施之一。而且，如果减轻“避火衣”的一些重量，对发射火箭推力的要求就可以降低很多，从而可以大大降低
宇航工程的成本。根据科学家计算，宇航飞行器的“避火衣”重量减轻1千克，可以使推动火箭减少500千克；如果“避火衣”能减轻15％，那么可以使宇航器的飞行距离与上升速度各增加10％！
(2) 航天飞机的运行过程
航天飞机一次飞行任务的时间是714天，必要时可以延长。典型的飞行任务分为三个主要阶段。
第一阶段：发射和入轨。
1）在发射台上预先点燃主发动机（液体火箭发动机）。当点燃固体火箭助推器时，总
推力才超过重力，此时航天飞机离开发射台上升。
2）升空20秒，航天飞机转身，达到滚转角180，俯仰角 78。
3）升空2分，固体火箭分离出去（此时高度45km ），打开降落伞，降落在海上，将回收再用。
4）升空 8.5分，主发动机关机。
5）升空9分，外置燃料箱被抛弃（将在再入大气层过程中烧毁）。从此以后，航天飞机就是轨道器。
6）升空10．5分，轨道机动发动机开动，使航天飞机进入低轨道。
7）升空45分，轨道机动发动机再次开动，使航天飞机进入较高的圆轨道。
第二阶段：在轨道上执行任务阶段。
航天飞机的典型轨道参数是：轨道高度350650km ，轨道倾角（即轨道平面与地球赤
道平面之间的角）39o 51´6´´。航天飞机可执行的任务包括：进行科学实验、对地球和天体观
测、向太空站运送人员和物资、释放卫星、回收失效的卫星，修理其他航大器（例如Hubble
哈勃太空望远镜）等。在执行这些任务时要进行许多次轨道机动和姿态机动。在正常况下航大飞机的姿态是：机头向前，舱顶在下（近地球）。
第三阶段：返回和着陆。
在完成任务后航天飞机返回和着陆是十分复杂的过程（见图8）。
1）在离着陆场大约半圈轨道距离时，地面控制中心发出返回指令。
2）把飞机的姿态转成尾部向前，并开动轨道机动发动机，使航天飞机减速，从而离开运行轨道，进入返回轨道（这个动作叫做离轨）。
3）经过大约25分，航天飞机到达大气上层。再次改变姿态，使得头部向前，且具有
40俯仰角。 o o o
图8 航天飞机返回和着陆
4）在大气中航天飞机能像飞机滑翔机那样（没有动力）飞行，由机载计算机控制飞行。
5）当航天飞机距离着陆场225 km(高度45．7 km。) 时，捕获到无线电信标，以后就由机长控制飞行，他要把航天飞机保持在一个直径为5．5 km的虚拟管道内，因而能对准跑道。
6）在放下起落架后不久，航天飞机就触地，除机轮刹车外，还利用垂直尾翼上的减速
板和从尾部张开的减速伞，促使航天飞机停止。这样整个飞行任务就完成了。
目前，天地往返载人航天器有两个基本的类型：美国的航天飞机是一类，俄罗斯的Soyuz （联盟号）飞船是另一类。
航天飞机的优点，第一是可部分重复使用。除外置燃料箱被抛弃和烧毁外，固体火箭助推器壳体可以回收再用，轨道器则返回地面，经过修理后可以重复使用，预计可以飞行100次。这样就可以降低载人飞行的成本。但事实上航天飞机每次飞行后的维护和修理费用很高，所以经济性并不像原来预期的那样好。第二是承载能力大，可乘坐8名航天员，还能运送大量物资。而Soyuz 飞船只能乘坐3名航大员。第三是具有强大的轨道机动能力，能执行许多功能任务。航天飞机的缺点是构造太复杂，飞行过程也太复杂。这不仅造成研制费用的极其高昂，而且也引起可靠性的降低。
五、登月技术与火星探测
1. 登月技术
月球是距离地球最近的一个天体。月球环境具有引力小、真空、无菌、磁场小、温差大、昼夜交替周期长、在地球视线内等特点。月球地质条件特殊，具备地球原材料资源。整个月球犹如一个巨大的稳定平台，适合于开展科学研究和天文观测。以上特殊的环境和条件，使得建造月球基地变得很有吸引力。月球基地有可能成为人类在地球外星体上建立的第一个活动场所。
1969年，也就是在人类第一次发射人造地球卫星之后仅12年和人类第一次飞往宇宙空间之后仅8年，人类有史以来首次成功地登上月球表面。首次飞向月球并登上月球的人是美国宇航员。先后登上月球的共有12名宇航员，其中最先登上月球的是N ·阿姆斯特朗和E ·奥尔德林。他们两人乘坐由宇宙飞船主要部分（返回地球的宇航员驾驶舱和发动机舱）和登月舱（着陆和起飞级）组成的“阿波罗—11号”在1969年7月 16日成功地登上月球。“阿波罗—11号”飞船指令长是N ·阿姆斯特朗，E ·奥尔德林是登月舱领航员，而第三名飞船成员M ·柯林斯是飞船生要部分领航员。
“阿波罗—11号”宇宙飞船用大功率火箭“土星—5号”（属美国二级和三级运载火箭系列，有40层搂房高）送入近地轨道，起航76小时之后离开近地轨道，成为一颗人造月球卫星，然后才开始独自飞往月球。实际上正是这样分步而不是直接的登月方法才完成了史无前例的登月星际飞行。
整个飞船并没有在月球上着陆，着陆的只是登月舱，走出登月舱的是阿姆斯特朗和奥尔德林，而柯林斯仍留守在登月舱里。当登月舱刚从飞船主要部分对接处分离时，着陆便开始进行。此后登月舱需要转入更低轨道，选择着陆地点并开始降落。阿姆斯特朗负责登月舱
手动控制，并顺利地将登月舱着落在名为死海的一个环形山中。月球表面上所谓的“海”，实际上是宽广平坦的低洼地。
指令长阿姆斯特朗小心翼翼地用脚触了触月球表面之后才迈出了第一步。这时他情不自禁地说：“对人来说这是一小步，而对整个人类而言，这又是何等巨大的飞跃”。过了一段时间，领航员奥尔德林与阿姆斯特朗相会合。阿姆斯特朗很快学去了地球人不习惯的移动方式
——跳跃。他们时而用一只脚着地跳跃，时而又同时用两只脚着地象袋鼠一样跳跃。宇航员们在月球上边跳跃，边收集月球土壤样品，并在月球表面上安装各种测量仪器，如安装研究来自太阳的带电污染粒子流的仪器、月球地震仪和激光反射镜——准确测量地球与月球表面两点之间的距离。
阿姆斯特朗在月球上的宇宙飞船外面共逗留了2个半小时，奥尔德林逗留时间比他少20分钟。1969年7月2日宇航员们安全返回地球。
此后又多次去月球考察，其中最成功的是“阿波罗—12号”、“阿波罗—14号”、“阿波罗—15号”、“阿波罗—16号”、“阿波罗—17号”宇宙飞船的登月飞行。“阿波罗—13号”飞船由于中途发生故障，只能围绕月球飞行后返回地球。先后登上月球的12名宇航员中有6名考察队成员。最后一批考察的宇航员在月球上亲自开动四轮月球车，沿月球表面作很长路程的考察旅行。
当宇航员沿灰色尘埃月球表面徒步行走或乘坐月
球车考察旅行时，地球人在自己周围看到的只是一片
死气沉沉的寂静世界：没有任何生命、空气 、水、声
音、云、雨、极光，陨石。但是，他们真的找到了一
个“调查者号”——美国为研究月球而发射的宇宙飞
行器系列。“调查者号”在地球上的重量约 1吨，在月
球上着落后重约 285千克。在1966—1968年期间，美
国先后向月球发射了7个“调查者号”。图9为美国宇
航员登月时的照片。
登月式飞船与卫星式飞船最大的不同就是增设了
登月舱。其座舱分前舱、航天员舱和后舱3部分，前
舱放置着陆部件、回收设备、姿控发动机等；航天员
舱为密封舱，存有供航天员生活14天的必需品和救生
设备；后舱装有各种仪器、贮箱、计算机和无线电系
统等。
图9 美国宇航员登月时的照片
登月方法采用停泊轨道中转。登月
飞行器首先进入一个绕地心运动的圆停
泊轨道，然后从停泊轨道上的某点第二
次点火，进入地月转移轨道，采取停泊
轨道中转比直接从地面发射登月有以下
优点：①在停泊轨道上可最后测试飞行
器的各项性能，如控制、通讯等，以减
小飞行的风险；②为进入地月转移轨道
而加速时，可充分利用停泊轨道的轨道
速度；③停泊轨道的轨道倾角可由地面
发射站预先指定，而其轨道升交点经度
与入轨历元密切相关。由于地球的自转
运动，可以证明在每24小时内有两次机E ：地心 M ：月亮 L ：发射场 T 。：停泊轨道入轨点 T 1：地月转移轨道入轨点 f 0：滑行角距 fi ：飞行角距
图10 登月飞行平面图 图11 登月飞行立体示意图
会使停泊轨道的轨道面经过选定着月时
刻的月心。登月飞行的整个过程如图10、图11所示。当然有关登月飞行轨道设计、着陆技术等问题是十分复杂的，这里就不详细介绍了。
自上世纪70年代初美国结束阿波罗登月计划后，人类登月活动一度停止。近10年来，重返月球的呼声增高，月球计划成为许多国家航天发展的重要目标。预计在未来的20年内，人类将重返月球。人类可以利用空间航天基地，进行地月轨道运输船的组装维护，最终建成月球基地。
2. 火星探测
火星在太阳系中其自然环境最接近地球，被认为是最适合人类移民的星球，数十年来人们对火星始终寄予着最大的热情与最丰富的想象。但要揭开火星的真实面目，只有通过火星探测。火星探测是用火星探测器对火星进行近旁观测、环绕观测和实地考察的活动。它自 1962年开始进行，并在20世纪内取得了令人瞩目的成就。2003年6－7月，欧洲和美国的3个火星探测器相继发射升空，揭开了21世纪航天火星探测的序幕。为科学界热衷的载人火星飞行也有可能在21世纪前期首次进行。
(1) 人类探测火星的成就
1962年11月，苏联发射了世界上的第一个火星探测器。自那时起，至1999年 1月，全世界只有苏联、美国和日本发射了用于探测火星的航天器。20世纪航天火星探测可分为2个时期。第一个时期（1962－1975），苏联发射了 7个。‘火星”号探测器和1个探测火星的“探测器”号行星探测器，美国发射了6个探测火星的“水手＂号行星探测器和2个“海盗”号火星探测器。其中，1971年5月底发射11月中旬到达火星的“水乡9号探测器，成为第一颗人造火星卫星；1971年5月底发射、12月初在火星软着陆（指其着陆舱，下同）的“火星”3号探测器首次实现了在火星上的软着陆； 1975年8月中旬、9月上旬分别发射的“海盗”1号和2号探测器相继于 1976年 7月中旬、9月上旬在火星上软着陆后，用土样挖掘机和气象感测器进行了为期90天的探索火星上有无生命存在迹象和研究火星大气等活动。第二个时期（1 988－ 1999），苏联于 1988年发射了2个“火卫一”号探测器（火卫一是火星的2个卫星中离火星较近的1颗卫星，与火星的平均距离约9400 km 。周期7小时30分钟），其中1号因故障而失败，2号进入绕火星飞行的轨道对火星进行探测后又转入对火卫一进行观察的轨道拍摄了该卫星的图像；美国于 1996－ 1999年相继发射了“火星全球探测器”、“火星探路者”号探测器和“火星气候探测器”、“火星极地登陆器”共4个火星探测器，其中1996年11月发射（1997年9月到达火星）的“火星全球探测器”成为火星的卫星，对火星大气层和火星地貌进行了长期探测，1996年12月发射（1997年 7月到达火星）的“火星探路者”号探测器用微型火星车（质量16kg ）对着陆点进行了1个月的实地考察并发回了许多幅火星地表景观照片，分别于 1998年 12月和1999年1月升空的“火星气候探测器”和“火星极地登陆器”在到达火星后均与地面失去了联系。日本于 1998年 7月发射的“行星B ”号探测器飞行途中出现故障，经挽救有望于明年到达火星周围空间。图12为“火星探路者”登陆火星模拟图。
火星探测器获取的火星图像和探测信息，丰富了人类的火星知识库。它们的探测结果表明：火星的大气不能保证人的生命。火星大气中有95.32%的二氧化碳，2.7%的氮，l. 6%的氖，还有少量的一氧化碳
图12‚火星探路者‛登陆火星模拟图
和氧以及微量的臭氧、氢和水蒸汽。火星大气极为稀薄，火星表面处的大气压力只相当于地面上空海拔30－40 km 处的大气压力。火星地貌大致被一个倾斜于火星赤道面的平面分为2部分。大圆南部地貌与月球相似，表面崎岖，有不少陨石坑、环形山，还有许多火山口、峡谷和沟渠。大圆北部地势普遍比南部低，环形山也比南部少。但未发现火星上有活火山。未发现火星上有液态水，但过去有过“洪水”的迹象，并发现在火星极地有“水冰”存在的证据。在火星着陆点附近并未发现有类似地球上的生命过程。火星上是否存在生命，还有待今后的探测。火星大气层中有一种独特的“尘暴”现象，有时可遍及整个火星，持续半年时间。
(2) 火星探测器轨道的特点
火星探测器轨道很复杂，但其基本特点可以用三种轨道加以描述，即绕地心运动阶段的轨道、绕日心运动阶段的轨道、绕火心运动阶段的轨道。下面在论述这三种轨道时。除作特殊说明外，均认为探测器在惯性飞行中分别只受到地球、太阳和火星的球形引力场的作用，而忽略引力摄动力、气动力摄动力等摄动力的影响。即探测器所受到的引力分别与其到地心、日心和火心的距离平方成反比。另外，把地球和火星
88绕太阳的公转轨道看作是共面、同向的两个圆轨道，它们的轨道半径分别为1.496×10km 、2. 279×10km 。
a ）绕地心运动阶段的轨道
为了选择有利的进入飞向火星轨道的起点，火星探测器在从地面起飞后，一般先由航天运载器送入环绕地球运动的低高度近圆形停泊轨道。当探测器沿停泊轨道作惯性（无动力）运动到有利位置时，再用火箭发动机的动力使探测器相对于地心的运动速度v 地>7.9km/s 。这样，探测器就以这个速度为初速进入一
条能以惯性飞行脱离地球引力场的过渡轨道。这条地球引力作用范围内的过渡轨道不妨称为地球过渡轨道。它是以地心为焦点的双曲线轨道。为了使探测器能飞达火星，在入轨点的地心距等于地球平均半径（6371km ）即入轨点在地球表面或停泊轨道沿地球表面时，地球过渡轨道的初速不得小于11.57km/s。随入轨点地心距的增加，这个初速的最小值会有所减小。当入轨点的地心距为6871 km （即停泊轨道高度为500 km）时，地球过渡轨道的初速值不得小于11 .16 km/s 。
如若考虑到地球引力范围中存在月球时，那么还可以采用绕月飞行技术来降低地球过渡轨道的初速值。其原理可参见绕火心飞行阶段轨道。采用这种技术，地球过渡轨道的初速可以小于上段所述的最小值，但通过借用月球引力来加速，仍可使探侧器飞达火星。
b ）绕日心运动阶段的轨道
火星探测器沿地球过渡轨道惯性飞行到地球相对于太阳的引力作用球范围时，探测器就进入绕日心的运动阶段。探测器绕日心作惯性飞行的轨道，又称为地球—火星过渡轨道。探测器在地球—火星过渡轨道相对于日心的初速（即入轨速度）等于入轨时地球绕太阳公转的速度与地球过渡轨道相对于地心的速度的矢量和。当这个初速v 太
的椭圆；当v 太 = v 逃太时，轨道为抛物线；当v 太 > v 逃太时，轨道为双曲线。采用何种地球—火星过渡轨道，
视入轨时地球和火星的相对位置等因素而定，以保证探测器沿轨道飞行能进入火星相对于太阳的引力作用范围。地球—火星过渡轨道的初速不得小于32.7 km/s （大于地球绕太阳的公转速度29．8 km／s ）、且方向沿入轨时地球绕太阳公转绕的方向。探测器将沿一条在近日点与地球公转轨道相切、在远日点与火星公转轨道相切的双共切椭圆轨道飞向火星。这条双共切椭圆轨道远日点处相对日心的运动速度为21.5 km/s （小于火星绕太阳的公转速度24.1 km/s），方向与该时火星绕太阳公转的方向相同。这条双共切椭圆轨道是能量最省的地球—火星过渡轨道。
c ）绕火心运动阶段的轨道
火星探测器沿地球—火星过渡轨道惯性飞行到火星相对于太阳的引力作用范围边界时，探测器就进入绕火心的运动阶段。探测器绕火心作惯性飞行的轨道称为火星过渡轨道。火星过渡轨道相对于火心的初速（即入轨速度）为入轨时探测器相对于日心的速度与火星绕太阳公转的速度的矢量差，其量值大于零。如沿上节提到的双共切椭圆轨道作地球到火星的飞行，火星过渡轨道初速约等于2.6 km/s ，方向与该时火星绕太阳公转的速度方向相反。因此，火星过渡轨道是一条以火心为焦点的双曲线轨道。当这条双曲线轨道与火星相交时，探测器将与火星相撞或采取一定的减速措施后着陆于火星表面。当这条双曲线轨道不与火星相交，探测器在接近火星后又将离开火星，再次飞出火星相对于大阳的引力作用范围，由于探测器在火星引力作用下作惯性飞行时的机械能保持不变。这样，探测器飞出、进入火星相对于太阳引力作用范围时的相对于火心的速度相等，但这两个速度的方向不同。因此，当探测器顺火星公转方向进入时，绕火星飞行的结果是飞出时相对于日心的速度减小；反之，当逆火星公转方向进入时，飞出时相对于日心的速度增大。如若要使探测器成为火星的卫星，则需在预定位置处用火箭发动机的动力来减速，使其从火星过渡轨道转入绕火星的椭圆形停泊轨道运动。如若探测器还需要从这个停泊轨道上向火星表面着陆，则还需要采用变轨技术使其转入到一条能进入火星大气层的进入轨道。当探测器进入火星大气层后，再利用降落伞、着陆缓冲装置等措施使其在火星表面安全着陆。对于要从火星返回地面的探测器，还要经历与上述过程相反的3个飞行阶段以及从环绕地球的停泊轨道向地面返回的飞行阶段。
(3) 一对孪生的探测器
2003年 6月3日、6月10日和7月8日，欧州的第一个火星探测器——携带“猎兔犬”2号着陆器的“火星快车”号探测器和美国分别携带“勇气”号、“机遇”号小型火星车的2个“火星探索流浪者”号探测器相继踏上奔向火星的征途。经过半年多星际旅行，美国的“勇气”号于美国东部时间2004年1月3日20时35分（北京时间4日12时35分）左右，在火星表面成功着陆。目前已经运行在火星轨道上有7个探测器，它们将对火星探测，这真是世界航天史上的一大奇观。
“勇气”号和“机遇”号本来称为火星探测巡游车“A ”和“B ”，它们的任务是寻找火星远古时期液态水存在的证据。2003年 NASA 征集关于这两漫游车的命名方案，从近10000个方案中，选中了9岁小姑娘索菲，考利斯的提案，于是这对挛生探测器就有了“勇气”和“机遇”的名宇。的确，探测火星是需要勇气的；而成功与否也需要机遇。
“勇气”号和“机遇”号由‘德尔塔”—Ⅱ火箭发射入轨。“德尔塔” —Ⅱ火箭由三级火箭组成。第三级火箭分离后，进入巡航阶段，此时的探测器称为巡航级。在巡航过程中，探测器以2转／分钟的速率旋转，达到自旋稳定，同时使携带的星扫描仪能够扫描恒星，以便为探测器提供姿态参考基准。此外，巡航期间要进行3次轨道修正。以消除导航误差和外部干扰造成的轨道偏离。到达预定的近火星轨道后，巡航级与着陆器分离，大约在距火里表面约120km 的高度，着陆器以 8000m ／s 左右的速度再入火星大气层；当高度降低到6—10km 时，着陆器的降落伞打开，着陆器以 360
—450km 的速度继续下降；当高度下降5—9km 时，着陆器的防
护罩分离，此时着陆器的速度是95～130m ／s ；当距火星表面高
度约300m 时，着陆器的气囊开始充气，着陆器以0～5m ／s 的
速度下降，当距火星表面高度约为50～70m 时，减速火箭点火，
最后着陆器以0～5m ／s 的速度接触火星表面。着陆后着陆器弹
起12次左右，并滚动约1km 的距离。当着陆器静止后，气囊泄
气并收回，着陆器外壳的三个花瓣打开，暴露出巡游车。此后巡
游车的全景摄像机将对着陆点附近360º范围内的景象进行彩色
可见光和红外摄像，然后驶离着陆位置，开始执行探测任务，此
后着陆器不再有任何用处。整个探测器质量为1063kg ，其中巡游
车质量为185 kg ，着陆器质量为340 kg ，其他为整流罩、巡航
级降落伞的质量及50 kg的推进剂。
巡游车从结构上可分为车体、仪器设备箱、车轮及悬挂系统、
视觉系统、机械臂及取样分析仪器、通信系统、导航系统、成像
图13 组装好的‚勇气‛号探测 器
设备、温控系统等部分。巡游车有6个车轮，每个车轮有独立的驱动装置和悬拴系统，可以进行360º的转动，以利于避障和转弯。巡游车有6块太阳电池帆板，是车上的主要能源来源，此外还有两个蓄电池，8个放射性同位素热发生器，为夜间供电使用。图13为组装好的“勇气”号探测器。
为进行科学探测，“勇气”号和“机遇”号携带的科学探测仪器有全景摄像机、微型热散射质谱仪、莫斯保尔质谱仪、阿尔发质子 X —射线质谱仪、显微成像仪、岩石研磨工具、 磁铁阵列等设备。“勇气”号和“机遇”号的设计寿命是90个火星日（每个火星日为24．6地球时）。目前两个探测器都进入巡航段，主要操作是轨道修正、状态监测与对地球的通信。“勇气”号现已完成了2次轨道修正和2次姿态调整，“机遇”号也完成了1次轨道修正，它们的运行状态良好。要使这两个探测器能完成预定任务，必须采用着陆技术、巡游车技术、能源和热控技术、取样分析等关键技术。
(4) 火星探测前景
21世纪初期，火星探测将获得进一步发展。其探测重点将放在寻找火星上有水存在的证据和火星上有生命存在的迹象，并为载人火星飞行作一定的准备（如选择可供着陆的地点、完善软着陆技术等）。目前各航天大国都制定了新回一轮火星探测计划。今年年初，欧空局和俄罗斯联手启动了为期30年的“曙光”计划，将联合向火星发射自动探测器，并在2025年至2030年之间向火星发射载人飞船。美国NASA 制定了20年的长期计划，今后每隔两年将向火星至少发射一个探测器。意大利和法国也将参加这一计划规。该计划规定2005年发射“火星再认识”轨道器，可以在轨道上以25～30cm 的分辨率来观察火星；2007年发射”灵巧登陆器”和”长期漫游器”，这是一个火星表面的移动科学实验室，任务是为下一步的火星取样返回铺路；同时计划在2007年发射第一个火星飞机（或气球）对火星表面进行低空探测；2014和2016年（亦说2009年和2011年）实现两次火星取样返回，这期间也将进行深度达数百米的火星表面钻探。俄罗斯、美国和欧空局也在协商进行合作，将载人火星登陆的时间提前到2014—2015年。按照该计划，由各方选派的6名宇航员乘飞船飞赴火星。抵达火星后，3名宇航员将借助登陆舱在火星表面着陆，另外3名宇航员将驾驶飞船在火星轨道上待命。如果该计划得以实施，将是人类航天史上一个新的里程碑。
六、中国航天史
在太空的里程碑上，篆刻着很多的记录：1961年4月12日，前苏联宇航员尤里. 加加林乘“东方号”载人飞船上天，人类从此步入太空时代；截止2002年12月31日，全世界共进行了236次载人轨道飞行，其中美国141次，俄罗斯95次；全世界发射入轨的载人航天器有飞船、航天飞机、空间站、太空实验舱等20多个型号；共有427名宇航员进行了942次的飞行┄┄。所有的奇迹都是人类的骄傲，所有的奇迹又令中华汗颜，因为这些都与中国无关。直到“神州”的放飞，才将把中华民族的梦想化成了永垂史册的辉煌现实。在这里我们就对中国的航天史做一小小回顾。
早在1957年10月4日前苏联第一颗人造地球卫星上太内的前一年，中国就秘密组建了一个研究院，由科技泰斗钱学森当院长，聚集了一大批的科技精英，它的任务就是攻克远程导弹技术难关。从仿制苏式导弹的练兵开始，这个研究院逐步走上了独立自主研制的道路，终于在1960年11月5日，中国地平线上飞起了中国制造的第一枚导弹“1059”，也就从那天起，中国航天以令世人惊诧的勇气和毅力，从一片空白到跻身到世界先进水平，开始创造人类的一个又一个奇迹。 1966年10月27日，我国第一次成功实现“两弹结合”试验。
1970年4月24号，以“东风四号”导弹为基础而制成的“长征一号”火箭成功地把中国第一颗人造卫星送入太空。从那时起，中国的航天科技工作者就在思索着如何研讨我国载人航天的发展途径，但是由于当时国家的经济基础薄弱，科技水平低下，这个工程还是下马了，而是把精力和重点放在了各种类型的应用卫星方面。
1970年4月24日，我国成功发射第一颗“东方红1号”人造地球卫星。1975年11月26日，我国成功发射第一颗返回式卫星。1980年5月18日，我国第一次成功发射远程运载火箭。1981年9月20日，我国第一次用一枚火箭发射了三颗星卫星。1987年8月5日，第一次提供卫星对外搭载服务。所有这些丰碑后面，凝聚了无数人的心血，也显示了中国航空的迅猛发展。随着科技进步日新月异，进军宇宙已经成了世界各国发展的主流，也越来越成为一个国家综合国力的主要标志！实施中国载人航天工程，是党中央、国务院、中央军委根据世界科技发展大势，着眼中国政治、军事、外交、科技发展和现代化建设大局，作
出的伟大决策，也是继“两弹一星”之后，我国航天事业又一次史无前例的宏伟工程！
1992年，中央政治局的常委们在一份绝密报告上画了几个圈，这份报告就是一张飞天之梦的蓝图，决定在下世纪初建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用性实验。中国的载人航天也就从这天起真正地露出了希望的曙光。
在中国人的眼里，飞船就象一叶神州舟，载人载物行空于天地之间，成为人类远征太空的云海航班，而“神舟”这个名字是神奇的天河之舟，又是中华“神州”的谐音，象征着飞船研制是得到了全中国人民的支持的；同时又有神气，神采飞扬之意，所以这个名字最终脱颖而出。它的研制浸透着科技人员的无数心血，而它的每一次起飞也都代表着一次新的跨越。让我们再来领略从不载人的试验飞船“神舟1号”到载人成功的“神舟5号”的真实历程。
“神舟1号”飞船是一艘试样船，本来并没有安排它上空，当时发射的目的是想通过实际飞行，验证新研制的“长征2号F ”火箭的性能和可靠性。为了不使它空飞，临时决定在火箭的顶部放一艘试验飞船，借试验火箭的机会也同时验证了飞船的各系统和技术，所以舱内的系统配置与正常载人状态不完全一样。在1999年11月20日放飞了它，飞船在轨运行一天之后，成功返回内蒙古四子王旗主着陆场，并且各项性能完全符合设计要求。
“神舟2号”飞船是我国第一艘按载人飞行要求配置的正样飞船，这艘飞船的技术状态与载人飞船基本一致，增加了最具有载人特色的环境控制，生命保障和应急救生两个分系统等等。利用船舱内的有效空间，在它的三个舱段里放有10种64件试验装置，在太空中进行了材料科学，生命科学，空间天文，环境检测等多学科的前沿性的科学实验和应用研究，这是中国首次开展的大规模的空间实验活动。2001年1月10日，“神舟2号”飞船飞奔太空。
“神舟3号”更加完善了逃逸救生系统，以确保火箭升空阶段发生故障时宇航员的生命安全。运载火箭，飞船和测控发射系统也得到了进一步的验证。飞船上装有一个与真人差不多，体重70千克的形体假人，在它身上装了人体代谢模拟装置，信号设备等。定量模拟了宇航员在太空呼吸，心跳，血压，耗氧等的重要生理活动参数。2002年3月25号，“神舟3号”遨游苍穹，飞船回收后，科学家对测量仪器测量的数据进行了计算，发现仪器在太空环境里工作正常，飞船舱内受到的太空辐射剂量很小，对宇航员的身体基本没有影响。
“神舟四号”飞船是在无人状态下最全面的一次飞行试验。测控和通信，飞船和火箭，发射场，主着陆场和备用着陆场，宇航员，陆地和海上应急救生等系统，全部参加载人前的“预演”。在原来的仿真“船长”的基础上又增加了两个模拟“宇航员”，共同承担起模拟在太空生活的多种重要生理参数的重任。同时飞船上还安装了自动和手动两套应急救生装置，无论是在太空航行中或是在返回时发生意外，船上的救生系统都会启动。2002年12月30日，“神舟四号”飞船再传捷报。
神舟的每一次起程，都有新的收获，所有能想到的万一，万一中的万一，都有对付的手段，四次升空的出巡为最终的载人飞行做好了充分的准备。2003年10月15日是“神舟”五号载人飞船在酒泉卫星发射中心顺利发射成功的日子，也是中华民族千百年来的飞天梦想实现的日子，这一天，中国航天腾飞的乐章又一次奏响了最摄人心魄的交响曲，中国用自己的飞船将中国的航天员杨利伟送上了太空（见图14、16）。飞船经过绕地球14圈以后，于16日6点23分在内蒙古阿木古郎草原安全着陆，航天员自主走出返回舱，状态良好（见图15）。2003年10月15日，这一天，迎来了永载史册的日子，从此中华民族的飞天梦想得以实现。这是中国酒泉卫星发射中心在中国航天史上铸就的又一座巍巍丰碑，中华儿女将在浩淼宇宙的雄伟战场上大显身手了！
把人送上太空是中国进行深空探测，和平利用外层空间的预先步骤。中国对于太空探索的抱负当然远不止这些，实现载人航天的突破仅仅是中国载人航天工程“三步走”战略的第一步，第二步是解决空间交会对接技术，向太空发射短期有人照料的空间实验室；第三步将建造长期有人照料的空间站，解决大规模的空间科学实验和应用技术问题。
中国航天员进入太空，充分体现了中华民族自强不息的精神，充分体现了社会主义制度集中力量办大事的优越性，充分证明了中国人民有志气、有能力屹立于世界民族之林。极大地激发了全国各族人民的自豪感和凝聚力，进一步坚定把我们建设有中国特色社会主义事业的信心和决心！
图14 “神舟”五号成功返回 图15 “神舟”五号顺利发射升空 图16 杨利伟成为中国航天第一人 问题：
（1）
（2）
（3）
（4） 火箭是根据什么原理制成的？试导出火箭的推力公式，并说明其物理意义。 为什么要采用多级火箭发送航天器？多级火箭的速度与什么因素有关？ 写出卫星的轨道方程，并讨论其轨道形状与轨道参数的关系。 某人造卫星沿一椭圆轨道绕地球运动，其近地点离地面的高度h 1=300km，远地点离地面高度
为h 2=1400km，试求卫星在近地点和远地点时的运动速度V 1和V 2。（设地球半径为R e =6370km）。
（5） 你所知道航天器有哪几种？各有什么样的优点？
（6） 载人航天工程系统有哪些？
（7） 简述航天飞机的运行过程。
（8） 登月方法采用停泊轨道中转有哪些优点？
（9） 火星探测器轨道的特点可以用哪三种轨道加以描述？
（10） 试述“神舟号”的发展历程。
参考资料
（1）王群善等《工程物理与现代工程技术物理基础》 辽宁科学技术出版社 1993年版
（2）倪光炯等的《改变世界的物理学》 复旦大学出版社 1999年版
（3）吴锡珑 《大学物理教程》 高等教育出版社 1999年版
（4）石磊 《放飞神舟》 机械工业出版社 2004年版
（5）朱毅麟‚各显神通的人造卫星‛ 《太空探索》2003年第6期。
（6）肖业伦‚浅谈航天飞机‛ 《科技术语研究》第5卷第1期2003年
（7）李大耀‚论航天火星探测‛ 《航天返回与遥感》第24卷第3期2003年9月
（8）徐世杰‚火星探测需要‘勇气’与‘机遇’‛ 《航天专辑》2003年10月
（9）‚2004年‚联合舰队‛探火星‛ 《太空探索》2003年10期
（10）丁百祥译编‚阿波罗登月飞行‛ 《科技进步与对策》1996年第 13卷第 4期
（11）周道其译编‚人类登月溯源‛ 《创造世界》2002年4月
（12）竺茵龙‚关于航天力学中的一些理论问题（Ⅱ）‛ 《青岛大学学报》2000年6月
（13）‚ 航天与火箭的发展历程‛ 《中国航天》2001年8期
（14）‚美国航天飞机简介‛ 《中国航天》2003年3期
（15）‚世界航天大事记‛ 《读者文摘》2003年12期
大纲：
一、航天技术的发展
二、火箭技术与动量、机械能守恒
1. 火箭推进原理
2. 多级火箭
三、人造卫星技术
1. 人造卫星的运行轨道
2. 人造卫星与通信技术
四、载人航天技术
1.
2.
3. 载人航天工程七大系统 载人航天器的种类及其特点 航天飞机的构成、运行过程
五、登月技术与火星探测
1. 登月技术
2. 火星探测
六、中国航天史
航天与物理学
“火箭之父”俄国科学家齐奥尔科夫斯基说过“地球是人类的摇篮。人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼地穿过大气层，然后再去征服太阳系空间”。开发宇宙，是人类长期以来的梦想，随着科学技术地不断发展，高新技术不断地涌现，20世纪50年代开始兴起的航天技术使人类飞向宇宙的梦想得以实现。
航天，是相对于航空而言，它是指人类冲出大气层克服地球引力在太阳系内进行的行星际航行及其有关的活动。用于航天的人造天体称“航天器”有火箭、人造卫星、载人飞船、航天站、航天飞机及行星际探测器等．航天器的运行轨道以地球为中心的称‘近地”，以月球为中心的称‘近月”，以太阳为中心的称‘近日”，当然也可以环绕其它行星运行。
一、航天技术的发展
人类很早就有了航天的思想，我国古代流传的“嫦娥奔月”、‘吴刚砍桂”等传说故事，就是对人类航天理想的生动描绘之一。当然，人类真正实现这种理想是到19世纪末才开始起步的．从那时起，相继涌现出俄国的齐奥尔科夫斯基，美国的戈达德和德国的奥伯特等富于探索精神的航天先驱者。俄国的奥尔科夫斯基最早从理论上证明用多级火箭可克服地球的引力而进入太空，建立了表征多级火箭理想速度的著名的齐奥尔科夫斯基公式。而且他肯定了液体发动机是航天飞行器最适宜的动力装置。美国的戈达德是液体火箭的创始人。他曾指出，要克服地球引力，火箭必须具有每秒79公里的速度。他在1921年开始研制液体火箭发动机，1926年3月16日，他研制的液体火箭飞行成功。德国的奥伯特也是最早的火箭和航天的理论家和实践者。1923年奥伯特论述了火箭飞行的数学理论，并对火箭结构和星际飞行提出了许多新观念。到了1942年10月3日，德国太空协会的青年专家布劳恩领导的航天研究小组，经过艰苦的探索，在总结历次失败教训的基础上，终于发明了再生冷却式燃烧室和燃气舵等新技术。采用这些新技术，终于获得弹道导弹（V —2）的发射成功。从而在工程上实现了航天先驱者的技术思想，取得向地球引力挑战的胜利，并对后来大型火箭的发展起到了继往开来的重大作用。堪称是人类航天发展史上的一个里程碑。
第二次世界大战后，前苏联和美、法、日、加拿大、澳大利亚等国家，都先后发射了探空火箭，创造出发射393公里高度的纪录，获得了许多高层空间的宝贵资料，为发展航天奠定了科学基础。经过10多年的艰苦探索之后，于1957年10月4日，前苏联把世界上第一颗人造地球卫星送入大气层外的运行轨道，开创了人类航天史的新纪元。以后，美、英、法、日和中国、印度等国均成功地发射了人造卫星。自60年代中期开始，卫星的发展便从探索试验转入实用阶段。如今，人类发射的侦察、预警、通信导航、天文
气象、海洋监视、测地探矿等应用卫星巳超过2500颗。它们在经济、军事和科研中发挥了非常大的作用．
随着航天技术的发展，人类不断刷新航天纪录．创造出一个个惊人的奇迹。诸如：1961年4月12日开辟了载人航天的成功之路；从1959年开始又开创了对月球的探测和人类登月考察的新篇章；自70年代起，人类对太阳系中的行星先后进行了探测，前苏联和美国并相继在空间建立了航天站；80年代初又发明了能重复使用的航天飞机等等。这些令人鼓舞的成就，对航天技术及其它科学领域的发展都具有深远的历史意义。
二、火箭技术与动量、机械能守恒
1. 火箭推进原理
所有航天器的发射都依靠火箭技术，而火箭的飞行是遵循着质点系动量定理和动量守恒的。竖立在发射架上的火箭本身带有燃料和氧化剂，火箭在发射前总动量为零，当点火燃烧后，高温高压的气体不断从火箭尾部的喷管往后喷出，从而使火箭获得向上的巨大推力，克服自身的重力，向太空冲去。下面我们看一下火箭所受的推力大小和火箭的运动速度。
（1） 火箭推力大小
运载火箭的推力是火箭设计中的一个重要指标。当燃气从大气尾部喷出时，将产生的一个推力使火箭升空，这个推力可近似由下面的方法计算。
将总系统分为火箭和喷出气体两个子系统，假设总系统在t 时刻向上运动的速度为v ，在dt 时间内喷出运动速率恒为u 的燃气，质量dm 2。则可以计算燃气在dt 时间内的动量变化：t 时刻：燃气对地速度为 v，
动量为 vdm2 ，t ＋dt 时刻：燃气对地速度为（v ＋dv －u ），动量为（v ＋dv －u ）dm 2 ，所以动量的变化为dvdm 2－udm 2，如果略去两级小量dvdm 2，可得燃气的动量变化为－udm 2。按动量定理，燃气受到的箭体的推力为：F =-u dm 2
dt ， 它的反作用力就是火箭受到的燃气的推力：
dm 2
dt F ＝u ， （1）
dm
dt 结果表明火箭推力正比与喷气速度u 和喷气质量流量
2500m/s，dm
dt 22。例如运载阿波罗等月飞船的火箭，它的u ＝7＝1.4×10kg/s，代入公式可得：F ＝3.5×10N 。 4
（2）火箭的速度
火箭是依靠连续不断的喷出大量质量m 极小的燃料气体才得到连续平稳的加速上行。为了进一步说明火箭在这一过程中获得的速度，先不考虑地球的重力作用，将质量为M 的火箭中的燃料燃烧后喷出的燃料气体看成质量为m （远小于M ）、相对火箭速度为u 的细小弹丸，由于火箭不受任何外力，因此火箭系统总动量守恒，当弹丸以速度u 向后喷出，火箭就获得与弹丸等量而方向向前的动量，由于燃料不断燃烧，火箭体的质量就不断减小，因而火箭是一个变质量体系，我们用动量守恒来计算火箭最后得到的速度。
首先看一下火箭和燃料的质量关系，在t ＝0的时刻火箭的总质量M ，在t 时刻火箭的质量为M(t)；到t 时刻为止已喷出的燃料气体质量为m （t ）。因为在这过程中，系统的质量是守恒的，我们可以得到：
M （t ）＋m （t ）＝M
微分后： dM ＋dm ＝0
或者 dM ＝－dm
即在dt 时间内喷出气体的质量dm 等于火箭质量减小的质量dM （dM
再看火箭和燃料的速度及动量关系，设t 时刻火箭的速度为V(t) ，此时它的动量为M(t)V(t) ；在 dt 的时间内，设火箭速度的增量为dV ，则在t ＋dt 时刻，火箭的速度为V ＋dV ，动量为（M ＋dM ）（V+dV）；dt 时间内以恒定速率u 喷出的燃料质量为dm ，动量为dm （V －u ）；由动量守恒，
可得： MV=(M+dM)(V+dV)+dm（V －u ）
略去高阶无穷小量后，可得： MdV=－udM
注意此时的M 与V 均是时间的函数。将其写成： dM
M =-1
u dV
将其积分，设火箭初始速度为0，质量为M ，最后的质量为M e ，速度为V ，可得：
⎰M e dM
M M =-u ⎰dV 0V
所以： V=ulnM
M e （2）
当然我们还要考虑到地球引力和空气阻力的存在，由于它们与燃料燃烧所产生的推力相比极小，不影响动量守恒，但是不可避免有引力损失和阻力损失，所以火箭最后获得的速度要比这个计算值要小一点。
（3）机械能守恒和三个宇宙速度
知道了火箭能达到的速度，我们自然就想到人类要飞向月球或者其他行星需要的速度又是怎样的呢？通过我们的理论学习我们已经知道了，现在作一简单回顾。根据我们所学的机械能守恒定律，在航天器飞离地球（即r 增大的时候），机械能守恒定律可表示为：
1
2mv 2-G M e m
R e =12mv (r ) -G 2M e m r （3）
由此可得三个宇宙速度：
第一宇宙速度：在地面上发射一航天器，使之能沿着地球的圆轨道运行所需的最小发射速度，称为第一宇宙速度。此时的半径r 约等于地球半径R e ，由（3）式和mv
GM
R e 2r =G M e m r 2可得到第一宇宙速度v 1为 v 1=
e =7. 9(km /s ) （4）
第二宇宙速度：在地面上发射一航天器，使之能脱离地球的引力场所需的最小发射速度，称为第二宇宙速度。此时的势能、动能为0，所以可计算得出v 2为
v 2=2GM R e e =11. 2(km /s ) （5）
第三宇宙速度：在地球表面发射一航天器，使之不但要脱离地球的引力场，还要脱离太阳的引力场所需的最小发射速度称为第三宇宙速度。第三宇宙速度的计算略微复杂一些，可以得出v 3=16.7km/s。这样地球上一个速度超过v 3的航天器就能够先摆脱地球引力场，再摆脱太阳引力场的束缚，飞入茫茫宇宙之中。
2. 多级火箭
从以上的分析可知，要想航天器上天，至少要获得7.9km/s 的速度，而要到达其他行星或是其他星系，则需要更大的速度，而我们在制造火箭的时候，航天器的构造自然是希望越简单越好，那么一个单级火箭是否能够达到第一宇宙速度呢？由（2）式可知。要想火箭得到大的速度，就必须增大燃料气体的喷射速度u 和增大质量比M/Me。我们先看燃料气体的喷射速度，它受到诸多因素的影响，一种液态的常规燃料是偏二甲肼（ H —N —N —CH 3）加四氧化二氮（N 2O 4），燃料后气体的速度u 接近2km/s，另一种非常规的燃料（如液氢加液氧）做推进剂，其喷射速度可达4km/s。同时由于火箭上所装载的仪器设备等的影响质量比M/Me 也有所限制，大约在10到20之间。在这样的条件下，我们可以对一级火箭所能达到的末速度做一估计，设u ≈4km/s，M/Me≈15。则由（2）式得：v 1≈4ln15=10.8（km/s）这并不是火箭真正能达到的速度，必须考虑地球引力和空气阻力的影响等，所以最终的单级火箭的速度只可能达到7km/s左右，小
于第一宇宙速度7.9km/s，无法将航天器送上天。
实际的火箭通常为多级火箭，是用多个单级火箭经串联、并联或串并联（即捆绑式）组合而成的一个飞行整体。例如一个串联的三级火箭，它的工作过程为：当一级火箭点火发动后，整个火箭起飞，等到该级燃料燃烧完后，将自动脱落，以便增大以后的火箭的质量比。同时第二级火箭自动点火继续加速，直到燃料耗完也自行脱落，下一级再开始工作。直到最后达到所需的速度。我们可以计算出一个三级火箭最终能达到的速度为：
v f =u 1ln N 1+u 2ln N 2+u 3ln N 3 （6）
比如美国发射“阿波罗”登月飞船的运载火箭-----“土星5号”：它的总质量为2800吨，高约85米，三级的喷气速度分别为u 1=2.9km/s，u 2=4km/s，u 3=4km/s；三级的质量比分别为N 1 =16，N 2 =14，N 3 =12，代入
5km /s ）。 （6）式得到 v f =2. 9ln 16+4ln 14+4ln 12≈28. （
当然由于上述的原因，火箭可达到的最终速度要比此值小，但已经大于第二宇宙速度，足够完成登月的任务了。
三、人造卫星技术
1. 人造卫星的运行轨道
在人造地球卫星等航天器的运动中，确定其运动轨道是一个十分重要的问题。现研究
质量为m 的人造卫星（质点）运动轨道。在有心力作用下，卫星作平面运动的微分方程为：
m 2 d r
dt 2μ mM d r =-G r 或 =-r 323r dt r 2
式中M 为地球质量，G 称为万有引力常数。μ是地球的引力常数。 2 2 2 μ d r d r d r d r ⎫ d r d r 因为r ⨯2=r ⨯(-3r ) =0，考虑到 d ⎛+⨯=r ⨯ r ⨯⎪=r ⨯22dt r dt ⎝dt ⎭dt dt dt dt
2 d r d d r 即r ⨯m 2=(r ⨯m ) =0，则角动量守恒，可得角动量： dt dt dt
L =mrv =mr 2d θ
dt θ=L 0 （7）
式中的v θ为速度的横向分量，为垂直于矢径方向上的分量，它取决于入轨的初始条件。
前面我们已经介绍了机械能守恒的式（3），如果以地心为原点的极坐标系中，
v 2=v r 2+v θ2=(
这样（3）式可以写成： E =1
2m [(dr dt ) +(r 22dr d θ) 22dr
dt ) +(r dr
d θ) ]-G Mm
r =E 0 （8）
其中E 0为入轨点的卫星的总机械能，它也是由入轨时卫星的初始状态确定的。
这样在上述的两个式子中，我们只要消去时间t ，就能得到r 与θ的关系，也就是卫星的轨道方程。经过计算，我们可以得到：
r =
L 0
GMm 22p 1+e c o s θ （9） 其中p =，e =+2E 0L 0G M m 2232这也就是用极坐标表示的卫星轨道方程，它是一个以地心为一个焦
点的圆锥曲线的一般方程，p 为曲线的焦点参数，e 是偏心率。
针对此方程，我们还可以做以下的分析：（见图1）
若E 0>0，则e>1,轨道为双曲线；
若E 0=0，则e=1,轨道为抛物线；
若E 0
根据以上r 、p 、e 、θ等之间的关系，就可以对卫星的运行轨道进行
控制。卫星的运行轨道一般由主动飞行段和自由飞行段组成，主动飞行
段通常是卫星变轨发动机的点火工作段，变轨发动机熄灭后进入目标轨
道呈自由飞行状态，成为自由飞行段，变轨控制是使卫星从一个自由飞
行段的轨道转移到另一个自由飞行段的轨道。变轨前后的两个轨道可以
在同一个平面内，也可以在不同平面内。例如，改变P 可引起轨道形状 图1 卫星轨道 的变化，改变偏心率e 可引起轨道性质（如圆、椭圆，抛物线，双曲线
轨道）的变化。在任一位置P 处，改变r 、v 之间的夹角，可以使卫星从一个轨道转到另一个轨道。一般向目标轨道发射卫星可以有以下三种情况：
(1) 一种是在r 0处关机，经过惯性段，然后进入目标轨道（图2）。
(2) 一种是在目标轨道
某点处直接进入（图3）
(3) 一种是先进入一个
停泊轨道，然后由停泊轨道
转移到目标轨道（图4）。
卫星正常运行时，要靠
控制系统保证卫星的轨道
运行，以完成预期的飞行任
务。
2. 人造卫星与通信技术
1957年10月4日，前苏联在哈萨克共和国中部的拜科努尔航天中心成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星——人造卫星1号。这颗卫星虽然很小，直径只有58厘米，重仅83．6千克，内部结构也很简单，只装有一台双频率的小型发报机、温度汁以及电池等，但它却具有重大的历史意义，表明人类有能力把重物推上天空，使它绕地球旋转，宣告了航天时代的到来。1958年1月31日，美国也把它的第一颗人造卫星——探险者1号送入轨道，尽管这颗卫星更轻，仅重8．22千克，但它首次发现了地球周围空间存在着大量被地球磁场俘获的带电粒子区域——地球辐射带。这是航天技术最初取得的重大科学成果。1970年4月24日，我国也成功地发射了第—颗人造地球卫星——“东方红—号”，成为继前苏联、美、法、日之后第五个发射卫星的国家。“东方红一号”
这颗科学实验卫星设备齐全，总重量为173千
克，比前四个国家发射的第一颗卫星的重量之
和还多33千克，并首创在卫星上向宇宙播放
“东方红”乐曲的先例。1975年11月26日．我
国又成功发射了返回型遥感卫星，并经三天正
常运行后，按预定计划顺利返回，成为世界上
第三个掌握此项技术的国家。此后，我国又掌
握了—箭多星技术，于1981年9月20日，首
次用一枚运载火箭把三颗卫星送入各自轨道。
在1984年和1988年，我国还分别成功地发射
了首枚地球同步卫星和首枚太阳同步卫星。
1990年4月7日，用长征三号运载火箭把亚
洲l 号通信卫星成功地送入预定轨道，入轨精
度达到国际先进水平。1997年5月20
日，用
图5
几种不同类型的卫图2 目标轨道 图3 目标轨道直接进入 r 0 停泊轨道 图4 轨道转移
“长征三号甲”运载火箭将“东方红三号”同步通信卫星送入预定轨道；并定点在东经105赤道上空。1997年6月10日，用“长征三号”运载火箭将“风云二号”同步气象卫星送入轨道。1999年5月10日，在太原卫星发射中心用“长征四号乙”运载火箭将“风云一号(C星) ”气象卫星和“实践五号”科学实验卫星两颗太阳同步卫星同时送入轨道，轨道高度为870千米。图5为我国发射的几种不同类型的卫星。
目前欧洲最先进的重型火箭——“阿丽亚娜5型”能将6吨的有效负荷送入高空轨道。美国的“大力神4B ”的起飞推力达到15127千牛顿，也能将近6吨的载荷送入地球同步轨道。迄今全球已发射了约4 000颗各类卫星、转发器和航天器，它们在通信广播、对地观察、导航定位、科学研究以及气象等领域得到广泛的应用。
在人造卫星的大家族里，成熟最早、应用最广的要算是通信卫星了。它向你通报世界各地的最新信息，给你带来五彩缤纷的电视节目，让你欣赏文艺表演和体育比赛，让你获得知识增长才干。可在半个世纪以前，这一切都还只是一个美好的幻想。这是因为用来传输电视的是一种波长很短的无线电波，叫微波，它只能像光线一样沿直线传括。由于地面是弯曲的，所以微波传播不远，就会离开地面，进入太空。过去用微波传送电视，地面上要每隔一段路程建立一个中继站，像接力赛跑一样，把电视信号一站会－站地送向远方。一个50米高的微波中继站，有效传播距离只有50千米左右，例如，从北京到拉萨，有2600多千米，如果依靠微波接力站传送电视信号，沿途需要建立50多个微波中继站。因此，为了把电视信号传送到遥远的边疆、山区和海岛，就必须建立像蜘蛛网似的密布全国的中继线路，需要投入很大的人力和物力。如果遇到大海，海面上是无法建立微波接力站，电视信号也就无法飘洋过海。所以，半个世纪以前，海洋这边的人要想看到海洋那边的电视，是根本不可能的。
俗话说“站得高，看得远”。如果能够把微波中继站建在离地面很高的地方，那么，微波就可以传递得很远。1945年，英国科学作家克拉克发表了一篇论文，名叫《地外中继站》
在这篇文章中，克拉克设想，如果在赤道上空3.58×10km 高度的圆形轨道上，有这么一个微波中继站，它就可以在相隔1.8×104km 的两地之间传输信息，可以把微波传递到大约 40％的地球表面。这样，只要在地球赤道上空的轨道上均匀分布地建立三个中站，就再也不必担心山高路远、大海阻拦，全地球除两极地区以外的地方，都可以收到对方播发的电视节目，还可以进行相互通话。人们要问，怎样才能在离地球3.58×104km 的高度上建立起这样的微波中继站呢？克拉克说，这可以利用人造卫星，将卫星发射到赤道上空3.58×104km 高的轨道上，并且让它按照和地球自转速度相同的速度在轨道上运行，这样，它就会总是悬在地球上空的某一个地方，看上去就好像它始终没有移动，而是“静止”在那里。因此，人们把这种卫星叫做“静止卫星”或称“同步卫星”。但是，当克拉克发表他的设想的时候，运载火箭还没有诞生，人造卫星还没有出世，许多技术问题都还没有解决，在这种情况下要来探讨用“静止卫星”进行全球通信的问题，实在是不切合实际的。因此，有人认为他的这一设想只不过是一个科学幻想。但是，1957年第一颗人造卫星上天以后，仅仅经过6年时间，1963年美国就发射成功名叫“晨鸟”的第一颗静止卫星，在巴西、尼日利亚和美国之间进行了电话和电视转括，实现了克拉克的预言。
通信卫星大都分布在大西洋、印度洋和太平洋上空的地球静止轨道上。目前，世界上洲际间的电话、电报、传真和电视转播等通信业务，巳经大部分由通信卫星来承担。通信卫星的通信容量大，可靠性高，传输距离远，不受地理环境的影响等，优点很多，所以倍受各国的重视和欢迎。
通信卫星为人类的通信活动提供了日新月异的手段。今天，随着互联网的发展，通信卫星巳不再是简单的通信中继站，而成为在太空进行大量信息处理和信息交换的中心，成为信息高速公路的“太空枢纽”。人们可以利用通信卫星在家里直接拨通国际长途电话，无论走到哪里，打开电脑上网，通过卫星就可以同万里之外的亲友交谈，与客户联系业务，坐在家中就可以参加电话会议和指导外科手术，可以通过通信卫星向外国的图书资料中心查阅资料、索取数据。总之，在21世纪，通信卫星将发挥越来越重要的作用。
四、载人航天技术
1. 载人航天工程七大系统
(1) 航天员系统
载人航天首先要有航天员及其上天飞行的保障设施。这是一个航天员为中心的医学和工程相结合的复杂系统。它涉及航天生命科学和航天医学等领域，包括航天员的选拔训练、航天员的医学监督保障、4。
航天员的一样食品、航天员飞行训练模拟等分系统。
(2) 载人飞船系统
飞船是载人航天的核心部分，它为航天员和有效载荷提供必要的生活和工作条件，保证航天员进行有效空间实验和出舱活动，并安全返还地面。
(3) 运载火箭系统
运载火箭是把载人飞船安全可靠送入预定轨道的运载工具。包括箭体结构、动力装置等10个分系统，特别是增加了载人所需的故障监测分系统和逃逸救生分系统。
(4) 飞船应用系统
载人航天工程最终是为了应用，创造效益，因此飞船应用系统是备受关注的部分。它利用载人飞船的空间试验支持能力，开展对地观测、环境监测、生命科学、材料科学、流体科学等试验，安装有多项任务上百种有效载荷应用设备。
(5) 测控通讯系统
当运载火箭发射和载人飞船上天飞行以及返回时，需要靠测控系统通信系统保持天地之间的经常联系，完成飞船遥测参数和电视图像的接受处理，对飞船运行和轨道舱留轨工作的测控管理，这个测控通信系统由北京航天指挥控制中心、陆上地面测控站和海上远望号远洋航天测量船队组成、执行飞船轨道测量、遥控、遥测、火箭安全控制，航天员逃逸控制等任务。
(6) 发射场系统
神舟号飞船的发射场选在酒泉卫星发射中心，发射场系统由技术区、发射区、试验指挥区、首区测量和航天员区组成，形成火箭、飞船、航天员从测试到发射以及上升段、返回段测量的一套完整体系。
(7) 着陆场系统
载人航天这路着陆场系统包括主、副着陆场，陆上应急援救、海上应急援救、通信测量、航天员医保等部分。
2. 载人航天器的种类及其特点
载人航天是指人类驾驶和乘坐载人航天器在太空从事各种探测、试验、研究、军事和生产的往返飞行活动，其目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空，更广泛和深人地认识地球及其周困的环境，更好地认知整个宇宙；充分利用太空和载人航天器的特殊环境从事各种试验和研究活动，开发太空及其丰富的资源。
根据飞行和工作方式的不同，载人航天器可分为载人飞船、空间站和航天飞机三类。
(1) 载人飞船独立往返于地面和空间站之间，如同人类沟通太空的渡船，它能够与空间站或者是与其他航天器对接后进行联合飞行。但是，飞船容积小，所载消耗性物资有限，不具备再补给的能力，所以它的太空运行时间有限，仅能够使用一次。
(2) 与载人飞船相比，空间站容积大、载人多、寿命长，可综合利用，是发展航天技术、开发利用宇宙空间的基础设施。在它上面可对卫星进行修复，也可利用轨道转移飞行器在空间站和其他航天器往返运送物资或航天员，甚至可以在空间站上组装并发射航天器。前
苏联于1971年4月19日发射了世界上第一个空间站“礼炮”1
号；美国于1973年5月14日用“土星”5号改进型运载火箭将
“天空实验室”送入轨道。
(3) 航天飞机是一种多用途航天器，它能满足发射、修理和
回收卫星以及运送人员、物资等需要，可多次重复使用，显著
降低了运载成本，它的出现是航天技术发展的一次飞跃，代表
了载人航天器的发展方向。
3. 航天飞机的组成、运行过程
(1) 航天飞机的组成
航大飞机的总长度 56 m，翼展 24m 。。起飞总质量2 000t。
航大飞机由以下三个部分组成（图6）：固体火箭助推器（2个）、
外置燃料箱、轨道器。
图6 航天飞机的组成 图6
固体火箭助推器：在升空初期提供推力。长度 46 m。，直径 3．7 m，质量 590t 。推力11 700 kN，在升空中占总推力的71％。在使用后分离出去，依靠降落伞减速，降落在海上，可以回收再用。
外置燃料箱：储存主发动机所需的燃料。长度 48 m，直径 8．4 m，总容积 2 ×l0L ，可容纳燃料 719t 。箱内分隔成两部分：前储箱容纳液体氧，后储箱容纳液体氢。采用涡轮泵式输送系统。在使用后被抛弃，最后在大气中烧毁。
轨道器：航天飞机的主体。外形像飞机（图7）。在固体火箭助推器和外置燃料箱分离出去以后，航天飞机就是轨道器。所以往往也把轨道器叫做航天飞机。它主要由以下几部分组成。
1）机身。分为前机身、中机身和后机身三段。
2）机翼、垂直尾翼、舵面。
3）航天员舱。位于前机身，容积为74m 3，可容纳至多8名
航天员。
4）主发动机。是液体火箭发动机，共3台。位于后机身，安
装在球形接头上，可调节推力方向，控制飞行。每台发动机长
4．3m ，直径 2．3 m，质量 3 040 kg。燃料是液体氧和液体氢。
燃烧产物水蒸气以 2780m ／S 的速度排出。每台发动机的推力是 图7 航天飞机的轨道器 6
16682091 kN。为航天飞机升空提供 29％的推力。在固体助推器分离后，主发动机继续工作，直到把轨道器送入轨道，随后外置燃料箱就脱离。
5）轨道机动系统2个。在轨道器的后段，尾翼的两侧。该系统使轨道器精确进入轨道，进行轨道机动以及在最后使轨道器减速而脱离轨道。它们也是液体火箭发动机，利用氦气将燃烧剂和氧化剂从各自的储箱挤压到燃烧室，一接触就自动燃烧。每个轨道机动系统可产生推力 26400 N 。可以起动和关机 1000次，总工作时间可达 15小时。
6）反作用控制组件。在前机身和后机身各有一个，互相配合工作，实现轨道器姿态控
制或轨道微调。由38个固定喷嘴和6个游动喷嘴组成。可控制轨道器移动以及滚转、俯仰和偏航转动。
7）绝热瓦。由于航天飞机（轨道器）返回过程中，以极快的速度（7.9km/s）进入浓密的大气层时，与空气激烈摩擦要产生大量的热（即所谓的“气动加热”），且在距离地面60km 左右，温度变得最高，机头温度可高达到1000—3000ºC ，整个机身变成一个炽热耀眼的火球, ，与地面的无线电通讯都会暂时中断(称为“黑障现象”) 。而航天飞机上有宇航员和珍贵仪器资料，要保证他们经过烈火高温的洗礼后顺利返回地面，它的表面必须覆盖陶瓷绝热材料层，俗称绝热瓦。这种绝热瓦主要由耐高温的碳化物、氮化物、氧化物材料经过现代特殊工艺加工制成，称新型复合高温陶瓷瓦，它由两部分构成，外层包覆的是高辐射陶瓷材料，内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。航天飞机的这种绝热瓦“外衣”（又叫“避火衣”）有31000块陶瓷瓦片，每块长15 ~ 20cm、厚05 ~ 9cm，每片价格2000 ~ 3000美元。使用时将它们拼接起来，仿佛中国古代的“金缕玉衣”一般，非常合身。这样做法有两个好处：一是每个陶瓷片之间都留有微小空隙，可以防上受热变形互相挤压而损坏；二是如果个别陶瓷片毁坏，修理起来方便。航天飞机的机头和机翼的前缘，温度最高，必须重点保护，通常使用最厚的“陶瓷瓦片”。
当航天飞机返回地球通过大气层与空气剧烈摩擦产生大量的热时，绝热瓦遇到高温时会自己先燃烧起来，其中大量的有机物会发生化学分解和气化，带走大量的热量，并在燃烧自己的同时，还形成了一层厚厚的多孔炭化层，紧紧地附着在轨道器的外壁，这一层炭化层具有极好的隔热效能，在它严密的包裹下，能有效地防止外界热量传入舱内。它的双重奇妙功能，使轨道器中的温度可以保持正常，一般在35ºC 以下，十分安全。
经科学家研究表明，“避火衣”是保证轨道器安全返回地面的关键设施之一。而且，如果减轻“避火衣”的一些重量，对发射火箭推力的要求就可以降低很多，从而可以大大降低
宇航工程的成本。根据科学家计算，宇航飞行器的“避火衣”重量减轻1千克，可以使推动火箭减少500千克；如果“避火衣”能减轻15％，那么可以使宇航器的飞行距离与上升速度各增加10％！
(2) 航天飞机的运行过程
航天飞机一次飞行任务的时间是714天，必要时可以延长。典型的飞行任务分为三个主要阶段。
第一阶段：发射和入轨。
1）在发射台上预先点燃主发动机（液体火箭发动机）。当点燃固体火箭助推器时，总
推力才超过重力，此时航天飞机离开发射台上升。
2）升空20秒，航天飞机转身，达到滚转角180，俯仰角 78。
3）升空2分，固体火箭分离出去（此时高度45km ），打开降落伞，降落在海上，将回收再用。
4）升空 8.5分，主发动机关机。
5）升空9分，外置燃料箱被抛弃（将在再入大气层过程中烧毁）。从此以后，航天飞机就是轨道器。
6）升空10．5分，轨道机动发动机开动，使航天飞机进入低轨道。
7）升空45分，轨道机动发动机再次开动，使航天飞机进入较高的圆轨道。
第二阶段：在轨道上执行任务阶段。
航天飞机的典型轨道参数是：轨道高度350650km ，轨道倾角（即轨道平面与地球赤
道平面之间的角）39o 51´6´´。航天飞机可执行的任务包括：进行科学实验、对地球和天体观
测、向太空站运送人员和物资、释放卫星、回收失效的卫星，修理其他航大器（例如Hubble
哈勃太空望远镜）等。在执行这些任务时要进行许多次轨道机动和姿态机动。在正常况下航大飞机的姿态是：机头向前，舱顶在下（近地球）。
第三阶段：返回和着陆。
在完成任务后航天飞机返回和着陆是十分复杂的过程（见图8）。
1）在离着陆场大约半圈轨道距离时，地面控制中心发出返回指令。
2）把飞机的姿态转成尾部向前，并开动轨道机动发动机，使航天飞机减速，从而离开运行轨道，进入返回轨道（这个动作叫做离轨）。
3）经过大约25分，航天飞机到达大气上层。再次改变姿态，使得头部向前，且具有
40俯仰角。 o o o
图8 航天飞机返回和着陆
4）在大气中航天飞机能像飞机滑翔机那样（没有动力）飞行，由机载计算机控制飞行。
5）当航天飞机距离着陆场225 km(高度45．7 km。) 时，捕获到无线电信标，以后就由机长控制飞行，他要把航天飞机保持在一个直径为5．5 km的虚拟管道内，因而能对准跑道。
6）在放下起落架后不久，航天飞机就触地，除机轮刹车外，还利用垂直尾翼上的减速
板和从尾部张开的减速伞，促使航天飞机停止。这样整个飞行任务就完成了。
目前，天地往返载人航天器有两个基本的类型：美国的航天飞机是一类，俄罗斯的Soyuz （联盟号）飞船是另一类。
航天飞机的优点，第一是可部分重复使用。除外置燃料箱被抛弃和烧毁外，固体火箭助推器壳体可以回收再用，轨道器则返回地面，经过修理后可以重复使用，预计可以飞行100次。这样就可以降低载人飞行的成本。但事实上航天飞机每次飞行后的维护和修理费用很高，所以经济性并不像原来预期的那样好。第二是承载能力大，可乘坐8名航天员，还能运送大量物资。而Soyuz 飞船只能乘坐3名航大员。第三是具有强大的轨道机动能力，能执行许多功能任务。航天飞机的缺点是构造太复杂，飞行过程也太复杂。这不仅造成研制费用的极其高昂，而且也引起可靠性的降低。
五、登月技术与火星探测
1. 登月技术
月球是距离地球最近的一个天体。月球环境具有引力小、真空、无菌、磁场小、温差大、昼夜交替周期长、在地球视线内等特点。月球地质条件特殊，具备地球原材料资源。整个月球犹如一个巨大的稳定平台，适合于开展科学研究和天文观测。以上特殊的环境和条件，使得建造月球基地变得很有吸引力。月球基地有可能成为人类在地球外星体上建立的第一个活动场所。
1969年，也就是在人类第一次发射人造地球卫星之后仅12年和人类第一次飞往宇宙空间之后仅8年，人类有史以来首次成功地登上月球表面。首次飞向月球并登上月球的人是美国宇航员。先后登上月球的共有12名宇航员，其中最先登上月球的是N ·阿姆斯特朗和E ·奥尔德林。他们两人乘坐由宇宙飞船主要部分（返回地球的宇航员驾驶舱和发动机舱）和登月舱（着陆和起飞级）组成的“阿波罗—11号”在1969年7月 16日成功地登上月球。“阿波罗—11号”飞船指令长是N ·阿姆斯特朗，E ·奥尔德林是登月舱领航员，而第三名飞船成员M ·柯林斯是飞船生要部分领航员。
“阿波罗—11号”宇宙飞船用大功率火箭“土星—5号”（属美国二级和三级运载火箭系列，有40层搂房高）送入近地轨道，起航76小时之后离开近地轨道，成为一颗人造月球卫星，然后才开始独自飞往月球。实际上正是这样分步而不是直接的登月方法才完成了史无前例的登月星际飞行。
整个飞船并没有在月球上着陆，着陆的只是登月舱，走出登月舱的是阿姆斯特朗和奥尔德林，而柯林斯仍留守在登月舱里。当登月舱刚从飞船主要部分对接处分离时，着陆便开始进行。此后登月舱需要转入更低轨道，选择着陆地点并开始降落。阿姆斯特朗负责登月舱
手动控制，并顺利地将登月舱着落在名为死海的一个环形山中。月球表面上所谓的“海”，实际上是宽广平坦的低洼地。
指令长阿姆斯特朗小心翼翼地用脚触了触月球表面之后才迈出了第一步。这时他情不自禁地说：“对人来说这是一小步，而对整个人类而言，这又是何等巨大的飞跃”。过了一段时间，领航员奥尔德林与阿姆斯特朗相会合。阿姆斯特朗很快学去了地球人不习惯的移动方式
——跳跃。他们时而用一只脚着地跳跃，时而又同时用两只脚着地象袋鼠一样跳跃。宇航员们在月球上边跳跃，边收集月球土壤样品，并在月球表面上安装各种测量仪器，如安装研究来自太阳的带电污染粒子流的仪器、月球地震仪和激光反射镜——准确测量地球与月球表面两点之间的距离。
阿姆斯特朗在月球上的宇宙飞船外面共逗留了2个半小时，奥尔德林逗留时间比他少20分钟。1969年7月2日宇航员们安全返回地球。
此后又多次去月球考察，其中最成功的是“阿波罗—12号”、“阿波罗—14号”、“阿波罗—15号”、“阿波罗—16号”、“阿波罗—17号”宇宙飞船的登月飞行。“阿波罗—13号”飞船由于中途发生故障，只能围绕月球飞行后返回地球。先后登上月球的12名宇航员中有6名考察队成员。最后一批考察的宇航员在月球上亲自开动四轮月球车，沿月球表面作很长路程的考察旅行。
当宇航员沿灰色尘埃月球表面徒步行走或乘坐月
球车考察旅行时，地球人在自己周围看到的只是一片
死气沉沉的寂静世界：没有任何生命、空气 、水、声
音、云、雨、极光，陨石。但是，他们真的找到了一
个“调查者号”——美国为研究月球而发射的宇宙飞
行器系列。“调查者号”在地球上的重量约 1吨，在月
球上着落后重约 285千克。在1966—1968年期间，美
国先后向月球发射了7个“调查者号”。图9为美国宇
航员登月时的照片。
登月式飞船与卫星式飞船最大的不同就是增设了
登月舱。其座舱分前舱、航天员舱和后舱3部分，前
舱放置着陆部件、回收设备、姿控发动机等；航天员
舱为密封舱，存有供航天员生活14天的必需品和救生
设备；后舱装有各种仪器、贮箱、计算机和无线电系
统等。
图9 美国宇航员登月时的照片
登月方法采用停泊轨道中转。登月
飞行器首先进入一个绕地心运动的圆停
泊轨道，然后从停泊轨道上的某点第二
次点火，进入地月转移轨道，采取停泊
轨道中转比直接从地面发射登月有以下
优点：①在停泊轨道上可最后测试飞行
器的各项性能，如控制、通讯等，以减
小飞行的风险；②为进入地月转移轨道
而加速时，可充分利用停泊轨道的轨道
速度；③停泊轨道的轨道倾角可由地面
发射站预先指定，而其轨道升交点经度
与入轨历元密切相关。由于地球的自转
运动，可以证明在每24小时内有两次机E ：地心 M ：月亮 L ：发射场 T 。：停泊轨道入轨点 T 1：地月转移轨道入轨点 f 0：滑行角距 fi ：飞行角距
图10 登月飞行平面图 图11 登月飞行立体示意图
会使停泊轨道的轨道面经过选定着月时
刻的月心。登月飞行的整个过程如图10、图11所示。当然有关登月飞行轨道设计、着陆技术等问题是十分复杂的，这里就不详细介绍了。
自上世纪70年代初美国结束阿波罗登月计划后，人类登月活动一度停止。近10年来，重返月球的呼声增高，月球计划成为许多国家航天发展的重要目标。预计在未来的20年内，人类将重返月球。人类可以利用空间航天基地，进行地月轨道运输船的组装维护，最终建成月球基地。
2. 火星探测
火星在太阳系中其自然环境最接近地球，被认为是最适合人类移民的星球，数十年来人们对火星始终寄予着最大的热情与最丰富的想象。但要揭开火星的真实面目，只有通过火星探测。火星探测是用火星探测器对火星进行近旁观测、环绕观测和实地考察的活动。它自 1962年开始进行，并在20世纪内取得了令人瞩目的成就。2003年6－7月，欧洲和美国的3个火星探测器相继发射升空，揭开了21世纪航天火星探测的序幕。为科学界热衷的载人火星飞行也有可能在21世纪前期首次进行。
(1) 人类探测火星的成就
1962年11月，苏联发射了世界上的第一个火星探测器。自那时起，至1999年 1月，全世界只有苏联、美国和日本发射了用于探测火星的航天器。20世纪航天火星探测可分为2个时期。第一个时期（1962－1975），苏联发射了 7个。‘火星”号探测器和1个探测火星的“探测器”号行星探测器，美国发射了6个探测火星的“水手＂号行星探测器和2个“海盗”号火星探测器。其中，1971年5月底发射11月中旬到达火星的“水乡9号探测器，成为第一颗人造火星卫星；1971年5月底发射、12月初在火星软着陆（指其着陆舱，下同）的“火星”3号探测器首次实现了在火星上的软着陆； 1975年8月中旬、9月上旬分别发射的“海盗”1号和2号探测器相继于 1976年 7月中旬、9月上旬在火星上软着陆后，用土样挖掘机和气象感测器进行了为期90天的探索火星上有无生命存在迹象和研究火星大气等活动。第二个时期（1 988－ 1999），苏联于 1988年发射了2个“火卫一”号探测器（火卫一是火星的2个卫星中离火星较近的1颗卫星，与火星的平均距离约9400 km 。周期7小时30分钟），其中1号因故障而失败，2号进入绕火星飞行的轨道对火星进行探测后又转入对火卫一进行观察的轨道拍摄了该卫星的图像；美国于 1996－ 1999年相继发射了“火星全球探测器”、“火星探路者”号探测器和“火星气候探测器”、“火星极地登陆器”共4个火星探测器，其中1996年11月发射（1997年9月到达火星）的“火星全球探测器”成为火星的卫星，对火星大气层和火星地貌进行了长期探测，1996年12月发射（1997年 7月到达火星）的“火星探路者”号探测器用微型火星车（质量16kg ）对着陆点进行了1个月的实地考察并发回了许多幅火星地表景观照片，分别于 1998年 12月和1999年1月升空的“火星气候探测器”和“火星极地登陆器”在到达火星后均与地面失去了联系。日本于 1998年 7月发射的“行星B ”号探测器飞行途中出现故障，经挽救有望于明年到达火星周围空间。图12为“火星探路者”登陆火星模拟图。
火星探测器获取的火星图像和探测信息，丰富了人类的火星知识库。它们的探测结果表明：火星的大气不能保证人的生命。火星大气中有95.32%的二氧化碳，2.7%的氮，l. 6%的氖，还有少量的一氧化碳
图12‚火星探路者‛登陆火星模拟图
和氧以及微量的臭氧、氢和水蒸汽。火星大气极为稀薄，火星表面处的大气压力只相当于地面上空海拔30－40 km 处的大气压力。火星地貌大致被一个倾斜于火星赤道面的平面分为2部分。大圆南部地貌与月球相似，表面崎岖，有不少陨石坑、环形山，还有许多火山口、峡谷和沟渠。大圆北部地势普遍比南部低，环形山也比南部少。但未发现火星上有活火山。未发现火星上有液态水，但过去有过“洪水”的迹象，并发现在火星极地有“水冰”存在的证据。在火星着陆点附近并未发现有类似地球上的生命过程。火星上是否存在生命，还有待今后的探测。火星大气层中有一种独特的“尘暴”现象，有时可遍及整个火星，持续半年时间。
(2) 火星探测器轨道的特点
火星探测器轨道很复杂，但其基本特点可以用三种轨道加以描述，即绕地心运动阶段的轨道、绕日心运动阶段的轨道、绕火心运动阶段的轨道。下面在论述这三种轨道时。除作特殊说明外，均认为探测器在惯性飞行中分别只受到地球、太阳和火星的球形引力场的作用，而忽略引力摄动力、气动力摄动力等摄动力的影响。即探测器所受到的引力分别与其到地心、日心和火心的距离平方成反比。另外，把地球和火星
88绕太阳的公转轨道看作是共面、同向的两个圆轨道，它们的轨道半径分别为1.496×10km 、2. 279×10km 。
a ）绕地心运动阶段的轨道
为了选择有利的进入飞向火星轨道的起点，火星探测器在从地面起飞后，一般先由航天运载器送入环绕地球运动的低高度近圆形停泊轨道。当探测器沿停泊轨道作惯性（无动力）运动到有利位置时，再用火箭发动机的动力使探测器相对于地心的运动速度v 地>7.9km/s 。这样，探测器就以这个速度为初速进入一
条能以惯性飞行脱离地球引力场的过渡轨道。这条地球引力作用范围内的过渡轨道不妨称为地球过渡轨道。它是以地心为焦点的双曲线轨道。为了使探测器能飞达火星，在入轨点的地心距等于地球平均半径（6371km ）即入轨点在地球表面或停泊轨道沿地球表面时，地球过渡轨道的初速不得小于11.57km/s。随入轨点地心距的增加，这个初速的最小值会有所减小。当入轨点的地心距为6871 km （即停泊轨道高度为500 km）时，地球过渡轨道的初速值不得小于11 .16 km/s 。
如若考虑到地球引力范围中存在月球时，那么还可以采用绕月飞行技术来降低地球过渡轨道的初速值。其原理可参见绕火心飞行阶段轨道。采用这种技术，地球过渡轨道的初速可以小于上段所述的最小值，但通过借用月球引力来加速，仍可使探侧器飞达火星。
b ）绕日心运动阶段的轨道
火星探测器沿地球过渡轨道惯性飞行到地球相对于太阳的引力作用球范围时，探测器就进入绕日心的运动阶段。探测器绕日心作惯性飞行的轨道，又称为地球—火星过渡轨道。探测器在地球—火星过渡轨道相对于日心的初速（即入轨速度）等于入轨时地球绕太阳公转的速度与地球过渡轨道相对于地心的速度的矢量和。当这个初速v 太
的椭圆；当v 太 = v 逃太时，轨道为抛物线；当v 太 > v 逃太时，轨道为双曲线。采用何种地球—火星过渡轨道，
视入轨时地球和火星的相对位置等因素而定，以保证探测器沿轨道飞行能进入火星相对于太阳的引力作用范围。地球—火星过渡轨道的初速不得小于32.7 km/s （大于地球绕太阳的公转速度29．8 km／s ）、且方向沿入轨时地球绕太阳公转绕的方向。探测器将沿一条在近日点与地球公转轨道相切、在远日点与火星公转轨道相切的双共切椭圆轨道飞向火星。这条双共切椭圆轨道远日点处相对日心的运动速度为21.5 km/s （小于火星绕太阳的公转速度24.1 km/s），方向与该时火星绕太阳公转的方向相同。这条双共切椭圆轨道是能量最省的地球—火星过渡轨道。
c ）绕火心运动阶段的轨道
火星探测器沿地球—火星过渡轨道惯性飞行到火星相对于太阳的引力作用范围边界时，探测器就进入绕火心的运动阶段。探测器绕火心作惯性飞行的轨道称为火星过渡轨道。火星过渡轨道相对于火心的初速（即入轨速度）为入轨时探测器相对于日心的速度与火星绕太阳公转的速度的矢量差，其量值大于零。如沿上节提到的双共切椭圆轨道作地球到火星的飞行，火星过渡轨道初速约等于2.6 km/s ，方向与该时火星绕太阳公转的速度方向相反。因此，火星过渡轨道是一条以火心为焦点的双曲线轨道。当这条双曲线轨道与火星相交时，探测器将与火星相撞或采取一定的减速措施后着陆于火星表面。当这条双曲线轨道不与火星相交，探测器在接近火星后又将离开火星，再次飞出火星相对于大阳的引力作用范围，由于探测器在火星引力作用下作惯性飞行时的机械能保持不变。这样，探测器飞出、进入火星相对于太阳引力作用范围时的相对于火心的速度相等，但这两个速度的方向不同。因此，当探测器顺火星公转方向进入时，绕火星飞行的结果是飞出时相对于日心的速度减小；反之，当逆火星公转方向进入时，飞出时相对于日心的速度增大。如若要使探测器成为火星的卫星，则需在预定位置处用火箭发动机的动力来减速，使其从火星过渡轨道转入绕火星的椭圆形停泊轨道运动。如若探测器还需要从这个停泊轨道上向火星表面着陆，则还需要采用变轨技术使其转入到一条能进入火星大气层的进入轨道。当探测器进入火星大气层后，再利用降落伞、着陆缓冲装置等措施使其在火星表面安全着陆。对于要从火星返回地面的探测器，还要经历与上述过程相反的3个飞行阶段以及从环绕地球的停泊轨道向地面返回的飞行阶段。
(3) 一对孪生的探测器
2003年 6月3日、6月10日和7月8日，欧州的第一个火星探测器——携带“猎兔犬”2号着陆器的“火星快车”号探测器和美国分别携带“勇气”号、“机遇”号小型火星车的2个“火星探索流浪者”号探测器相继踏上奔向火星的征途。经过半年多星际旅行，美国的“勇气”号于美国东部时间2004年1月3日20时35分（北京时间4日12时35分）左右，在火星表面成功着陆。目前已经运行在火星轨道上有7个探测器，它们将对火星探测，这真是世界航天史上的一大奇观。
“勇气”号和“机遇”号本来称为火星探测巡游车“A ”和“B ”，它们的任务是寻找火星远古时期液态水存在的证据。2003年 NASA 征集关于这两漫游车的命名方案，从近10000个方案中，选中了9岁小姑娘索菲，考利斯的提案，于是这对挛生探测器就有了“勇气”和“机遇”的名宇。的确，探测火星是需要勇气的；而成功与否也需要机遇。
“勇气”号和“机遇”号由‘德尔塔”—Ⅱ火箭发射入轨。“德尔塔” —Ⅱ火箭由三级火箭组成。第三级火箭分离后，进入巡航阶段，此时的探测器称为巡航级。在巡航过程中，探测器以2转／分钟的速率旋转，达到自旋稳定，同时使携带的星扫描仪能够扫描恒星，以便为探测器提供姿态参考基准。此外，巡航期间要进行3次轨道修正。以消除导航误差和外部干扰造成的轨道偏离。到达预定的近火星轨道后，巡航级与着陆器分离，大约在距火里表面约120km 的高度，着陆器以 8000m ／s 左右的速度再入火星大气层；当高度降低到6—10km 时，着陆器的降落伞打开，着陆器以 360
—450km 的速度继续下降；当高度下降5—9km 时，着陆器的防
护罩分离，此时着陆器的速度是95～130m ／s ；当距火星表面高
度约300m 时，着陆器的气囊开始充气，着陆器以0～5m ／s 的
速度下降，当距火星表面高度约为50～70m 时，减速火箭点火，
最后着陆器以0～5m ／s 的速度接触火星表面。着陆后着陆器弹
起12次左右，并滚动约1km 的距离。当着陆器静止后，气囊泄
气并收回，着陆器外壳的三个花瓣打开，暴露出巡游车。此后巡
游车的全景摄像机将对着陆点附近360º范围内的景象进行彩色
可见光和红外摄像，然后驶离着陆位置，开始执行探测任务，此
后着陆器不再有任何用处。整个探测器质量为1063kg ，其中巡游
车质量为185 kg ，着陆器质量为340 kg ，其他为整流罩、巡航
级降落伞的质量及50 kg的推进剂。
巡游车从结构上可分为车体、仪器设备箱、车轮及悬挂系统、
视觉系统、机械臂及取样分析仪器、通信系统、导航系统、成像
图13 组装好的‚勇气‛号探测 器
设备、温控系统等部分。巡游车有6个车轮，每个车轮有独立的驱动装置和悬拴系统，可以进行360º的转动，以利于避障和转弯。巡游车有6块太阳电池帆板，是车上的主要能源来源，此外还有两个蓄电池，8个放射性同位素热发生器，为夜间供电使用。图13为组装好的“勇气”号探测器。
为进行科学探测，“勇气”号和“机遇”号携带的科学探测仪器有全景摄像机、微型热散射质谱仪、莫斯保尔质谱仪、阿尔发质子 X —射线质谱仪、显微成像仪、岩石研磨工具、 磁铁阵列等设备。“勇气”号和“机遇”号的设计寿命是90个火星日（每个火星日为24．6地球时）。目前两个探测器都进入巡航段，主要操作是轨道修正、状态监测与对地球的通信。“勇气”号现已完成了2次轨道修正和2次姿态调整，“机遇”号也完成了1次轨道修正，它们的运行状态良好。要使这两个探测器能完成预定任务，必须采用着陆技术、巡游车技术、能源和热控技术、取样分析等关键技术。
(4) 火星探测前景
21世纪初期，火星探测将获得进一步发展。其探测重点将放在寻找火星上有水存在的证据和火星上有生命存在的迹象，并为载人火星飞行作一定的准备（如选择可供着陆的地点、完善软着陆技术等）。目前各航天大国都制定了新回一轮火星探测计划。今年年初，欧空局和俄罗斯联手启动了为期30年的“曙光”计划，将联合向火星发射自动探测器，并在2025年至2030年之间向火星发射载人飞船。美国NASA 制定了20年的长期计划，今后每隔两年将向火星至少发射一个探测器。意大利和法国也将参加这一计划规。该计划规定2005年发射“火星再认识”轨道器，可以在轨道上以25～30cm 的分辨率来观察火星；2007年发射”灵巧登陆器”和”长期漫游器”，这是一个火星表面的移动科学实验室，任务是为下一步的火星取样返回铺路；同时计划在2007年发射第一个火星飞机（或气球）对火星表面进行低空探测；2014和2016年（亦说2009年和2011年）实现两次火星取样返回，这期间也将进行深度达数百米的火星表面钻探。俄罗斯、美国和欧空局也在协商进行合作，将载人火星登陆的时间提前到2014—2015年。按照该计划，由各方选派的6名宇航员乘飞船飞赴火星。抵达火星后，3名宇航员将借助登陆舱在火星表面着陆，另外3名宇航员将驾驶飞船在火星轨道上待命。如果该计划得以实施，将是人类航天史上一个新的里程碑。
六、中国航天史
在太空的里程碑上，篆刻着很多的记录：1961年4月12日，前苏联宇航员尤里. 加加林乘“东方号”载人飞船上天，人类从此步入太空时代；截止2002年12月31日，全世界共进行了236次载人轨道飞行，其中美国141次，俄罗斯95次；全世界发射入轨的载人航天器有飞船、航天飞机、空间站、太空实验舱等20多个型号；共有427名宇航员进行了942次的飞行┄┄。所有的奇迹都是人类的骄傲，所有的奇迹又令中华汗颜，因为这些都与中国无关。直到“神州”的放飞，才将把中华民族的梦想化成了永垂史册的辉煌现实。在这里我们就对中国的航天史做一小小回顾。
早在1957年10月4日前苏联第一颗人造地球卫星上太内的前一年，中国就秘密组建了一个研究院，由科技泰斗钱学森当院长，聚集了一大批的科技精英，它的任务就是攻克远程导弹技术难关。从仿制苏式导弹的练兵开始，这个研究院逐步走上了独立自主研制的道路，终于在1960年11月5日，中国地平线上飞起了中国制造的第一枚导弹“1059”，也就从那天起，中国航天以令世人惊诧的勇气和毅力，从一片空白到跻身到世界先进水平，开始创造人类的一个又一个奇迹。 1966年10月27日，我国第一次成功实现“两弹结合”试验。
1970年4月24号，以“东风四号”导弹为基础而制成的“长征一号”火箭成功地把中国第一颗人造卫星送入太空。从那时起，中国的航天科技工作者就在思索着如何研讨我国载人航天的发展途径，但是由于当时国家的经济基础薄弱，科技水平低下，这个工程还是下马了，而是把精力和重点放在了各种类型的应用卫星方面。
1970年4月24日，我国成功发射第一颗“东方红1号”人造地球卫星。1975年11月26日，我国成功发射第一颗返回式卫星。1980年5月18日，我国第一次成功发射远程运载火箭。1981年9月20日，我国第一次用一枚火箭发射了三颗星卫星。1987年8月5日，第一次提供卫星对外搭载服务。所有这些丰碑后面，凝聚了无数人的心血，也显示了中国航空的迅猛发展。随着科技进步日新月异，进军宇宙已经成了世界各国发展的主流，也越来越成为一个国家综合国力的主要标志！实施中国载人航天工程，是党中央、国务院、中央军委根据世界科技发展大势，着眼中国政治、军事、外交、科技发展和现代化建设大局，作
出的伟大决策，也是继“两弹一星”之后，我国航天事业又一次史无前例的宏伟工程！
1992年，中央政治局的常委们在一份绝密报告上画了几个圈，这份报告就是一张飞天之梦的蓝图，决定在下世纪初建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用性实验。中国的载人航天也就从这天起真正地露出了希望的曙光。
在中国人的眼里，飞船就象一叶神州舟，载人载物行空于天地之间，成为人类远征太空的云海航班，而“神舟”这个名字是神奇的天河之舟，又是中华“神州”的谐音，象征着飞船研制是得到了全中国人民的支持的；同时又有神气，神采飞扬之意，所以这个名字最终脱颖而出。它的研制浸透着科技人员的无数心血，而它的每一次起飞也都代表着一次新的跨越。让我们再来领略从不载人的试验飞船“神舟1号”到载人成功的“神舟5号”的真实历程。
“神舟1号”飞船是一艘试样船，本来并没有安排它上空，当时发射的目的是想通过实际飞行，验证新研制的“长征2号F ”火箭的性能和可靠性。为了不使它空飞，临时决定在火箭的顶部放一艘试验飞船，借试验火箭的机会也同时验证了飞船的各系统和技术，所以舱内的系统配置与正常载人状态不完全一样。在1999年11月20日放飞了它，飞船在轨运行一天之后，成功返回内蒙古四子王旗主着陆场，并且各项性能完全符合设计要求。
“神舟2号”飞船是我国第一艘按载人飞行要求配置的正样飞船，这艘飞船的技术状态与载人飞船基本一致，增加了最具有载人特色的环境控制，生命保障和应急救生两个分系统等等。利用船舱内的有效空间，在它的三个舱段里放有10种64件试验装置，在太空中进行了材料科学，生命科学，空间天文，环境检测等多学科的前沿性的科学实验和应用研究，这是中国首次开展的大规模的空间实验活动。2001年1月10日，“神舟2号”飞船飞奔太空。
“神舟3号”更加完善了逃逸救生系统，以确保火箭升空阶段发生故障时宇航员的生命安全。运载火箭，飞船和测控发射系统也得到了进一步的验证。飞船上装有一个与真人差不多，体重70千克的形体假人，在它身上装了人体代谢模拟装置，信号设备等。定量模拟了宇航员在太空呼吸，心跳，血压，耗氧等的重要生理活动参数。2002年3月25号，“神舟3号”遨游苍穹，飞船回收后，科学家对测量仪器测量的数据进行了计算，发现仪器在太空环境里工作正常，飞船舱内受到的太空辐射剂量很小，对宇航员的身体基本没有影响。
“神舟四号”飞船是在无人状态下最全面的一次飞行试验。测控和通信，飞船和火箭，发射场，主着陆场和备用着陆场，宇航员，陆地和海上应急救生等系统，全部参加载人前的“预演”。在原来的仿真“船长”的基础上又增加了两个模拟“宇航员”，共同承担起模拟在太空生活的多种重要生理参数的重任。同时飞船上还安装了自动和手动两套应急救生装置，无论是在太空航行中或是在返回时发生意外，船上的救生系统都会启动。2002年12月30日，“神舟四号”飞船再传捷报。
神舟的每一次起程，都有新的收获，所有能想到的万一，万一中的万一，都有对付的手段，四次升空的出巡为最终的载人飞行做好了充分的准备。2003年10月15日是“神舟”五号载人飞船在酒泉卫星发射中心顺利发射成功的日子，也是中华民族千百年来的飞天梦想实现的日子，这一天，中国航天腾飞的乐章又一次奏响了最摄人心魄的交响曲，中国用自己的飞船将中国的航天员杨利伟送上了太空（见图14、16）。飞船经过绕地球14圈以后，于16日6点23分在内蒙古阿木古郎草原安全着陆，航天员自主走出返回舱，状态良好（见图15）。2003年10月15日，这一天，迎来了永载史册的日子，从此中华民族的飞天梦想得以实现。这是中国酒泉卫星发射中心在中国航天史上铸就的又一座巍巍丰碑，中华儿女将在浩淼宇宙的雄伟战场上大显身手了！
把人送上太空是中国进行深空探测，和平利用外层空间的预先步骤。中国对于太空探索的抱负当然远不止这些，实现载人航天的突破仅仅是中国载人航天工程“三步走”战略的第一步，第二步是解决空间交会对接技术，向太空发射短期有人照料的空间实验室；第三步将建造长期有人照料的空间站，解决大规模的空间科学实验和应用技术问题。
中国航天员进入太空，充分体现了中华民族自强不息的精神，充分体现了社会主义制度集中力量办大事的优越性，充分证明了中国人民有志气、有能力屹立于世界民族之林。极大地激发了全国各族人民的自豪感和凝聚力，进一步坚定把我们建设有中国特色社会主义事业的信心和决心！
图14 “神舟”五号成功返回 图15 “神舟”五号顺利发射升空 图16 杨利伟成为中国航天第一人 问题：
（1）
（2）
（3）
（4） 火箭是根据什么原理制成的？试导出火箭的推力公式，并说明其物理意义。 为什么要采用多级火箭发送航天器？多级火箭的速度与什么因素有关？ 写出卫星的轨道方程，并讨论其轨道形状与轨道参数的关系。 某人造卫星沿一椭圆轨道绕地球运动，其近地点离地面的高度h 1=300km，远地点离地面高度
为h 2=1400km，试求卫星在近地点和远地点时的运动速度V 1和V 2。（设地球半径为R e =6370km）。
（5） 你所知道航天器有哪几种？各有什么样的优点？
（6） 载人航天工程系统有哪些？
（7） 简述航天飞机的运行过程。
（8） 登月方法采用停泊轨道中转有哪些优点？
（9） 火星探测器轨道的特点可以用哪三种轨道加以描述？
（10） 试述“神舟号”的发展历程。
参考资料
（1）王群善等《工程物理与现代工程技术物理基础》 辽宁科学技术出版社 1993年版
（2）倪光炯等的《改变世界的物理学》 复旦大学出版社 1999年版
（3）吴锡珑 《大学物理教程》 高等教育出版社 1999年版
（4）石磊 《放飞神舟》 机械工业出版社 2004年版
（5）朱毅麟‚各显神通的人造卫星‛ 《太空探索》2003年第6期。
（6）肖业伦‚浅谈航天飞机‛ 《科技术语研究》第5卷第1期2003年
（7）李大耀‚论航天火星探测‛ 《航天返回与遥感》第24卷第3期2003年9月
（8）徐世杰‚火星探测需要‘勇气’与‘机遇’‛ 《航天专辑》2003年10月
（9）‚2004年‚联合舰队‛探火星‛ 《太空探索》2003年10期
（10）丁百祥译编‚阿波罗登月飞行‛ 《科技进步与对策》1996年第 13卷第 4期
（11）周道其译编‚人类登月溯源‛ 《创造世界》2002年4月
（12）竺茵龙‚关于航天力学中的一些理论问题（Ⅱ）‛ 《青岛大学学报》2000年6月
（13）‚ 航天与火箭的发展历程‛ 《中国航天》2001年8期
（14）‚美国航天飞机简介‛ 《中国航天》2003年3期
（15）‚世界航天大事记‛ 《读者文摘》2003年12期