航天技術的應用 打開探索宇宙之門
20世紀50年代出現了航天技術，這是人類20世紀最偉大的技術成果之一。航天技術又稱空間技術，是一項探索、開發和利用太空以及地球以外天體的綜合性工程技術，是一個國家現代技術綜合發展水平的重要標誌。半個多世紀來，航天技術發展非常迅速，很快從試驗階段進入實用階段，廣泛地應用於科學研究、軍事活動和國民經濟的諸多方面，不僅給人類帶來了巨大的物質利益，而且還對人們的生活方式和思想觀念產生了重大的影響。這裡，僅就有關用航天技術對宇宙進行新探索的問題作幾點說明。
一、航天與航空的區別
所謂航空是指人類在地球大氣層中的活動。所使用的飛機、直升機、飛艇和氣球等飛行器統稱為航空器。所謂航天是指人類衝出地球大氣層，到宇宙太空中去活動，即宇宙航行。它所使用的是航天器及其運載火箭。
二、宇宙速度與運載火箭
我們的中學生都學過拋射運動，知道拋射體的初速度愈大，向上拋就能拋得愈高，向前拋就能拋得愈遠。人類要克服地球的引力，飛向太空，必須進一步加大航天器的運動速度。
所謂宇宙速度就是指從地球表面向宇宙空間發射的航天器在其入軌處所必須具有的初始速度最小值，可分為以下三種：
(1)作為環繞地球運行的人造地球衛星所必需的速度稱為第一宇宙速度，或稱環繞速度。其運行軌道為圓軌道，所以也稱圓軌道速度。
(2)作為擺脫地球引力場束縛而飛往行星際空間的行星飛行器所必須具有的速度稱為第二宇宙速度，或稱逃逸速度。其運行軌道為拋物線，所以也稱拋物線速度。
(3)作為擺脫太陽系引力場束縛而飛往恆星際空間的恆星際飛行器所必須具有的速度稱為第三宇宙速度。其運行軌道為雙曲線，所以也稱雙曲線速度。
宇宙速度的數值與所發射的人造天體入軌點離地面的高度有關。例如，離地面高度為零而又不計空氣阻力時，第一宇宙速度為7.9千米/秒，第二宇宙速度為11.2千米/秒，第三宇宙速度為16.7千米/秒。
那麼，如何才能使要發射的航天器達到所需要的宇宙速度呢?答案就是必須要用運載火箭。正如齊奧爾科夫斯基所說，火箭是人類衝破地球引力飛向太空的工具。火箭里裝著不用空氣就能點燃的燃料。燃料燃燒時噴出氣體，氣體的反作用力可以使火箭向前推進。火箭是在飛行過程中不斷加速的，只要加速度不過大，可以保證人和儀器的安全。這種用燃料作動力的火箭，在沒有空氣的宇宙空間也能飛行。齊奧爾科夫斯基還指出，運載航天器的火箭應是多級火箭。目前，多級火箭一般由三級組成。每級火箭在燃燒完燃料後脫落，接著下一級火箭點燃。這樣，火箭就可以不停地加速前進，把航天器送入預定軌道。
三、航天器的分類
航天器按是否載人可分為無人航天器和載人航天器。航天器按其性能和用途又可分以下幾種：
其一是人造地球衛星，按其用途又可分為通訊衛星、氣象衛星和軍事衛星等。發射這種衛星只需達到第一宇宙速度約每秒8千米即可。1957年，蘇聯成功發射了人類第一顆人造地球衛星，開創了從太空觀測、研究地球和整個宇宙的新時代。
其二是載人飛船，它是能保證航天員在外層空間的生活和工作、執行航天任務並返回地面的航天器，也稱宇宙飛船。它是運行時間有限、僅能使用一次的返回型載人航天器。1961年蘇聯成功發射了第一艘載人宇宙飛船，也就是由加加林乘坐的「東方」號飛船。載人航天器的上天，使人類能更直接地了解地球所處的宇宙環境。
其三是空間站。它是可供多名航天員巡訪、長期工作和居住的載人航天器，又稱空間站式軌道站。在空間站運行期間，航天員的替換和物資設備的補充可由載人飛船和太空梭運送。1971年，蘇聯發射了世界上第一個空間站——「禮炮」1號航天站。
其四是太空梭。它是可以重複使用的、往返於地球表面和軌道之間運送有效載荷的飛行器。太空梭通常設計成火箭推進的飛機，返回地面時能像滑翔機或飛機那樣下滑和著陸。它的特點是可以多次重複使用，且用途廣泛。1984年4月，美國成功發射了世界上第一架太空梭——「哥倫比亞」號太空梭。其五是行星間航天器，它包括無人的行星間探測器和載人的行星間宇宙飛船，發射這種航天器都必須讓它達到第二宇宙速度，即約每秒11千米。1969年7月，美國的「阿波羅」號宇宙飛船飛臨月球上空，並用登陸艙把航天員送上月球，實現了人類首次登月。至於眾多的無人行星探測器現已飛臨太陽系的各大行星。
總之，無人航天器和載人航天器的出現，實現了在沒有地球大氣干擾的情況下，人類對月球與大行星的逼近觀測和直接探測，極大地充實和豐富了人類關於太陽系和宇宙的知識。
四、關於對太空資源的開發
資源是人類賴以生存和發展的物質基礎。隨著航天技術的出現和不斷發展，人類越來越清楚地認識到，為了彌補地球自身資源不足，必須重視對太空資源的開發，其中尤其要重視對太空環境資源、太陽能資源和包括月球資源在內的近地天體資源的開發。
1.對太空環境資源的開發太空環境有兩大特點：一是有極其遼闊的空間，二是具有高真空、強輻射和失重等地面實驗室難以模擬的物理條件。發射到太空中的人造地球衛星可以從距離地球數萬公里的高度觀測地球，迅速、大量地收集有關地球的各種信息，並方便地進行全球通訊、全球電視轉播和GPS定位。還可以在衛星上進行各種實驗，利用空間站發展太空工業，更有效地生產人類所需的各種產品。
2.對太陽能資源的開發
太陽每秒帶給地球的總熱量相當於現今全世界每秒發電量的數萬倍。太陽能是地球最重要的資源之一，但其絕大部分能源不能透過地球大氣層到達地表。如何最大限度地利用太陽能，是擺在科學家面前的重要課題。目前，一些國家的科學家已開始著手研究建太空發電站的方案。這種太空電站通常是一顆帶有太陽能電池翼板的同步人造衛星，所以叫做衛星式太陽能電站。太陽能電池翼板由半導體材料矽片所製成，經太陽照射即可直接產生直流電。那麼，應用什麼方法將電能從太空傳輸到的球上來呢?目前認為，最好的辦法是利用微波來傳輸。在地面上相應的有一個用很多整流二極體組成的龐大陣列接收天線，它可將接收到的微波經過整流直接變換成直流電，然後再變換成交流電或直接引入輸電網，供用戶使用。
為什麼科學家寧肯把主要精力放在研製太空發電站上而不提倡直接去建更容易做到的地面太陽能發電站呢?這是由這兩種發電站的不同特點所決定的。在地面上的確也可以建太陽能發電站，而且建造容易，費用低，電能可直接輸往用戶，但它也有一些難以克服的缺點。首先，由於晝夜的交替和陰晴雨雪等氣象不斷變化的影響，導致不能連續使用太陽能，而必須發展有效的貯能技術。其次，地面上太陽能的密度比較低，勢必需要很大的收集和轉變太陽能的裝置，造成很大的佔地。然而，對處於離地球35600千米的同步軌道上的衛星式太陽能電站來說，由於它總是懸在地球某處上空，不受地球上各種自然條件的影響，且每天只有72分鐘時間鑽入地球陰影，其餘時間都一直受太陽照射，所以它的發電效率要比地面太陽能發電站高得多。此外，由於它是在太空中運行，所以它自身不佔地，更安全、更耐用，而且還為宇宙飛船補充能量帶來方便，使人類的使者能夠飛往更遙遠的星球。
因此，儘管太空太陽能發電站和地面太陽能發電站互有優缺點，但總的比較起來，前者比後者利多弊少，技術上也完全可行。正因為如此，現在衛星式太陽能發電站已成為空間技術研究的重點之一。
3.對包括月球資源在內的近地天體資源的開發
月球上有大量富含鐵、硅、鋁、鉀、磷、鈾、釷和稀土元素的礦藏，還富含地球上稀有的能源氦3，而氦3正是進行核聚變反應產生核電的理想燃料。此外，在火星和木星之間的軌道上運行著為數眾多的小行星，其中不少小行星富含多種極其珍貴的礦產。從人類目前掌握的航天技術及其發展趨勢看，開發月球和小行星的礦產是在不久的將來完全可以實現的事情。
五、對太空環境的保護
1.太空垃圾的產生
所謂太空垃圾是指在人類探索宇宙的過程中有意無意地遺棄在宇宙空間的各種殘骸和廢物，按照火箭科學家專業的說法叫做「軌道碎片」。目前，太空垃圾大約以每年10%的速度增加，而且體積越來越大。它的來源有三：一是工作終止的航天器;二是爆炸的航天器碎片;三是航天員扔出飛船艙外的垃圾。
2.太空垃圾的危害
太空垃圾主要的危害：一是撞壞正在工作的航天器;二是對航天員的生命安全造成威脅。因為空間垃圾和航天器之間的相對速度很大，一般為每秒幾千米至每秒幾十千米，即使空間垃圾是一塊不大的碎片，也會危及航天器與航天員的安全。碰撞的危險還會隨著未來的衛星或其他航天器的體積的增大而增大。目前衛星一般尺寸在幾米，最多十幾米，受碰撞的可能性不大。今後大型空間結構例如衛星太陽能發電站，它的太陽電池陣的面積將達到100至200平方千米。在這種情況下，衛星受到空間垃圾碰撞的概率將大大增加。
3.如何保持太空清潔
為了保持太空清潔，必須限制太空垃圾的產生並儘可能多地清除已有的太空垃圾。這裡重點說一說地球同步軌道上的太空垃圾清除問題。
在地球赤道上空35800千米的高度上，有一個以地球為中心的大圓圈，是太空中用處最大的區域。凡是在這個圓圈上飛行的人造衛星，環繞地球運行的角速度與地球自轉的角速度相等。從地球上看，衛星好像停留在天空一動不動。所以，這個大圓圈叫做「地球同步軌道」，也稱「靜止軌道」;在地球同步軌道上的衛星就叫「地球同步衛星」或「靜止衛星」。靜止衛星居高臨下，能一眼看到小半個地球。它最適合用作通信和廣播的中繼站、氣象和環境的監視站、給飛機和船舶引路的導航台以及監視地面發射導彈的瞭望台。因此，靜止軌道成了太空中人造衛星最密集的區域。據截至2009年1月21日的統計數據，還留在地球上空運行的人造衛星總共有905顆，其中留在同步軌道上運行的衛星達366顆之多。
為了保障靜止軌道不受污染，保障靜止衛星的安全，如何處理報廢的火箭和衛星以及其他太空垃圾的問題已引起聯合國探索與和平利用外層空間委員會的重視，並組織航天專家進行會商。航天專家們對清除靜止軌道上的太空垃圾提出一些對策，其要點如下：
(1)對運載火箭來說，要適當選擇發射軌道，使火箭用完後能在較短的時間內自然隕落;或者讓火箭在用完後仍具有一定的機動飛行能力，能遠離靜止軌道。
(2)對靜止衛星來說，要在衛星進入靜止軌道位置之前將衛星上的防塵罩、鏡頭防護罩等零星拋棄物全部拋掉。靜止衛星在壽命結束之前應留有一定的燃料作機動飛行之用，以便退出靜止軌道，讓出席位。
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