太空让人类张开腾飞的“翅膀”
今天,人类可以把人造地球卫星送入太空,为我所用;把航天员送到太空和遥远的月球,进行科学探测和研究;把各类探测器送到深空,探测广阔的宇宙空间和地外文明,寻找人类的知己;建设“太空村庄”——空间站,开展各种科学实验,而这一切都是航天技术发展带给人类的结果。
1.太空,为人类提供了挑战自我的舞台。对太空的仰望,探求太空未知的强烈欲望,催生了航天技术的产生和发展。航天技术,又称空间技术,是指人类进入、探索、开发和利用太空的一门综合性技术,也是高度综合的现代科学技术。广义的航天技术是指航天工程系统,包括航天器系统(卫星、飞船、探测器)、运输器系统、发射场系统、测控系统、应用系统。载人航天工程还有航天员系统和着陆场系统。狭义的航天技术指进入轨道的人造物体,如卫星、航天飞机、载人飞船等。
我们把在地球大气层以外的宇宙空间(太空)按一定轨道飞行,执行探索、开发和利用太空及天体等特定任务的人造物体(如人造卫星、载人飞船、空间站和空间探测器等)称为航天器或空间飞行器。人类进入太空的过程是依靠航天器来实现的,航天器技术的发展水平依赖于人类科学技术的最新成果,而航天器技术反过来又促进了科学技术的发展。
太阳系
航天器分为无人航天器和载人航天器两大类。无人航天器按其与地球的关系分为人造地球卫星和空间探测器。人造地球卫星指环绕地球飞行的无人航天器;空间探测器指远离地球或脱离地球引力的无人航天器。载人航天器有载人飞船、航天飞机和空间站三种。人类进行探索、开发和利用太空的壮举,就是依靠这两类航天器来实现的。从现代科学技术的发展水平来看, 目前以及今后相当一个时期内,人类的主要航天活动还是在近地空间飞行,并以无人航天器为主要手段。
国外空间站
人造地球卫星的出现,为人类开发和利用太空资源提供了手段。自1957年10月4日苏联成功发射人类第一颗人造地球卫星的半个多世纪以来,随着当代最新科学技术成果的出现和应用,航天器技术得到了快速发展。各类航天器的升空,加深了人类对太空的了解,促进了社会发展和科技进步。
由于航天技术的作用、地位主要通过航天器技术来实现,且每一个航天器因其使命不同,所携带的有效载荷在设计生产中都需要有较大变化,而其他航天工程,如运载火箭、测控通信、发射场等较之航天器要小得多,因此,在整个航天工程大系统中,航天器技术是航天技术(空间技术)的主要组成部分或核心部分。可以说,没有航天器就无法完成航天任务,且航天器的研制过程就是应用最新技术成果不断进行创新的过程。
在各类航天器中,人造地球卫星发射数量最多,广泛应用于通信广播、气象预报、资源探测、导航定位、空间科学实验和国防建设领域,取得了巨大的经济效益、社会效益和军事效益。
航天器技术的发展推动了整个科学技术体系的进步。在半个多世纪里,人类从航天器技术的应用及其技术转移中获得了十分显著的效益。同时,航天器技术的发展还极大地丰富了人类的知识宝库,改变了过去基于地面所形成的许多传统观念,进而把人类的视野伸展到宇宙的深处。可以说,世界上几乎没有什么其他的工程,会像航天工程那样牵动公众的热情,引起广泛的关注,几乎没有什么其他的工程技术可以对社会产生如此广泛而持久的影响力。
2.奇特的空间环境,为人类提供科学研究的舞台。人们不禁会问:空间环境到底能干什么?特殊的空间资源,为人类提供了科学实验的实验室。近地轨道空间站的建立,为人类利用宝贵的太空环境资源提供了条件。人类利用太空环境,开展了材料加工、生物技术、生命科学等多学科、多领域的科学实验,获得了人类之前所未曾想到的新发现。空间站这个地球外的村庄,搭建了人类揭开许多未解之谜和通向更为广阔宇宙空间的平台。
太空“温室”
科学实验与研究的舞台。在宝贵的太空环境里,人类开展了生命科学、生物技术等一系列科学研究活动。比如,进行生命科学实验,通过相关生物实验,可以揭示太空环境对重要生命现象及生命过程的作用与影响,从而增进对生命起源、生命现象、生命本质以及生命活动基本规律的认识,为发展地基生物技术和改善人长期在太空生活质量提供了理论依据;进行生物技术实验,进行植物栽培生长实验,用以探索改良作物品种、改良药物品种和生产效率、先进材料的应用等方面的技术;进行失重科学实验,通过对失重环境中的新现象、新规律进行研究,以揭示被重力掩盖的现象和实质,为人们深入认识流体、燃烧和物质的本质提供依据,从而改善地面上与人类生活密不可分的流体、燃烧过程和物质特性;此外,还可以利用空间环境进行太空医学研究。为搞清楚失重环境对人体骨骼及肌肉的影响,进行了大量失重环境对动物骨骼肌影响的实验,实验表明失重环境对骨骼肌有重大影响。重力对航天员心血管系统、心肺系统起重要作用,研究振动、冲击、噪声、失重、超重、宇宙辐射、昼夜节律变化、超负荷的心理和工作压力、新陈代谢变化、神经系统等影响,为人类长时间进驻“地球村”扫清障碍。
特殊材料的太空工厂。利用太空环境,可以进行特殊材料的加工实验。比如,进行光学材料加工生产实验。由于太空真空环境,液体没有对流的产生,可以制取特种添加剂的分布十分均匀,无气泡、无条纹、无杂质、各向同性的高质量特种玻璃,从而为制造光导纤维和高级光学玻璃制品提供优良材料,其光学性质可接近理论值。在太空还可以生产极细的、长度几乎不受限制的高级光导纤维;进行电子材料加工生产实验。人类社会的许多方面都离不开电子材料,随着计算机技术等现代电子技术的发展,电子材料用途越来越广泛。电子材料的质量受材料结晶和化学的完美程度所决定,杂质越少越好,哪怕很小的杂质都将使电子材料的品质受到影响,进而直接影响到电子产品的性能。在地面上生长晶体,由于受重力的影响,容易弯曲、变形,并很难保证其纯度。而由于太空处于微重力环境,不会对晶体生长产生影响,因而生长出的晶体不仅个体大,而且纯度也高。此外,在空间站里,利用太空环境,还可以生产出稀有的金属材料、纯度极高的特殊材料、玻璃金属和陶瓷、薄膜等材料。
在地面上,由于重力的影响,制造金属或非金属薄膜非常困难,特别是在液态状态下提取薄膜时,很难提取达到预期理想的薄膜。在太空微重力环境里,由于没有了重力的破坏力,可以生产出超薄的薄膜,并且从理论上讲,薄膜的面积可以要多大就有多大,还可以为地面生产廉价的高纯度化学制品创造条件。
工程技术的实验室。人类终究要走到遥远的宇宙空间,建设月球基地、火星基地和太空城市需要什么材料,怎样建造等都是太空工程技术研究的重要内容。利用这个环境,可以考验光学玻璃、陶瓷、超导体、聚合物、复合材料、各种金属材料长期暴露在太空环境中,将会产生什么变化,从而为“太空村庄”建设中材料的选择、航天器的材料选择和材料设计提供实际试验数据。另外,目前人类许多将在太空长期运行的新型设备,都是在地面环境中研制的,由于地面环境与太空环境具有根本的不同,因此可以利用空间站在太空进行先期试验,以验证在太空环境中的工作性能,然后再安装到航天器上运行。
观天测地的理想平台。利用空间站或执行对地遥感任务的航天器对宇宙进行观测与研究,可以有效克服在地面上观测的局限,把人类的视野带入更为广阔的宇宙空间,以极大地丰富人类对地球和广袤宇宙空间的认识。
深空探测航天器的组装车间。未来人类许多执行深空探测任务的航天器和太空太阳能发电站,可以先把零部件运到空间站或月球基地上,在那里进行组装,这样可以节省大量的推进剂。