航天基礎(chǔ)知識問答(航天基本知識題)

大爆炸理論

理論內(nèi)容

相信很多人都看過一部美劇，叫做《theBigBangTheory》（生活大爆炸）。事實上，生活大爆炸理論的英文名稱是BigBangTheory。

大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響力的理論。其主要思想是宇宙曾經(jīng)有過從熱到冷的演化歷史。在大爆炸之前，物質(zhì)只能以基本粒子的形式存在，如中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子。大爆炸后，宇宙繼續(xù)膨脹，導(dǎo)致溫度和密度迅速下降。隨著宇宙逐漸冷卻、溫度降低，這些非常小的基本粒子逐漸形成原子、原子核、分子和化合物，成為普通氣體。氣體逐漸凝結(jié)成星云，進(jìn)一步形成了各種恒星和星系，最終形成了我們今天看到的宇宙。大爆炸并不是真正的爆炸，而是因為在這個過程中，宇宙系統(tǒng)不斷膨脹，導(dǎo)致物質(zhì)的密度從稠密演化到稀薄，就像一次巨大的爆炸一樣。

理論提出

大爆炸假說最早由比利時天文學(xué)家、宇宙學(xué)家勒梅特·喬治于1927年提出。1929年，哈勃根據(jù)紅移現(xiàn)象提出了哈勃定律。什么是紅移？當(dāng)我們安靜地聽火車呼嘯而過時，我們會發(fā)現(xiàn)火車離我們越近，發(fā)出的聲音就越尖利，因為聲音的波長越來越短；離我們越遠(yuǎn)，聲音就越大，因為聲音的波長變得更長。這種現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng)。光和聲音一樣，也是一種波，也具有多普勒效應(yīng)：當(dāng)遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們地球所在的銀河系時，星系發(fā)出的光譜會向長波端移動（即紅光）。end），這就是所謂的紅移。哈勃隨后根據(jù)星系相互遠(yuǎn)離的紅移現(xiàn)象，得出了宇宙膨脹的假說。

隨后在1946年，美國物理學(xué)家喬治·伽莫夫正式提出了大爆炸理論，認(rèn)為宇宙是由大約140億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。上世紀(jì)末，對超新星的觀測表明，宇宙的膨脹正在加速，因為宇宙可能主要由暗能量組成。暗能量是一種驅(qū)動宇宙運(yùn)動的能量。它和暗物質(zhì)都不能輻射、反射或吸收光，因此我們?nèi)祟悷o法利用現(xiàn)有技術(shù)直接觀察它。

空間概念

人類的飛行活動一般分為三個階段，即航空、航天、航天。航空是指在大氣層內(nèi)的活動（如飛機(jī)），航天是指飛出地球大氣層并在太陽系內(nèi)的活動（如人造衛(wèi)星），航天是指飛出太陽系并在太陽系內(nèi)航行。浩瀚的宇宙。如今，航空航天一般是指在地球大氣層以外的太空進(jìn)行航行活動的載人或無人航天器的總稱。它也稱為太空飛行或太空導(dǎo)航。航天活動的目的是探索、開發(fā)和利用空間和天體，為人類服務(wù)。

軌道的基本概念

汽車有自己的運(yùn)行軌道（道路），火車有自己的運(yùn)行軌道（鐵路），航天器也有自己的運(yùn)行軌道。只不過汽車的軌道是物理客觀存在的，需要構(gòu)建，而航天器的軌道沒有物理物體，與飛機(jī)的航線類似。航天器必須遵循預(yù)定軌道，以確保其正確到達(dá)目的地。航天器軌道是航天器的運(yùn)動軌跡，包括發(fā)射軌道、運(yùn)行軌道、返回軌道等。軌道只是一個大家容易理解的形象。它是航天器在發(fā)射階段、運(yùn)動階段和返回地球期間的軌跡。

發(fā)射軌道

從運(yùn)載火箭點(diǎn)火起飛到航天器進(jìn)入預(yù)定軌道的飛行路徑稱為發(fā)射軌道。運(yùn)載火箭的發(fā)射軌道包括垂直起飛段、程序轉(zhuǎn)彎段和入軌段。

運(yùn)載火箭首先垂直起飛（垂直起飛段）。運(yùn)載火箭離開發(fā)射臺一段時間后，火箭開始按預(yù)定程序轉(zhuǎn)向，沿發(fā)射方向飛行（程序轉(zhuǎn)向段）。當(dāng)接近衛(wèi)星軌道時進(jìn)入衛(wèi)星軌道。在軌道點(diǎn)，火箭執(zhí)行最后的水平加速。達(dá)到入軌速度后，運(yùn)載火箭與航天器分離，將衛(wèi)星送入軌道（入軌段）。

垂直起飛段和程序轉(zhuǎn)彎段兩級類似，但入軌段根據(jù)軌道高度不同分為直接入軌、滑行入軌和過渡轉(zhuǎn)入軌三種方式。軌道。低軌衛(wèi)星一般采用直接入軌方式，即火箭連續(xù)工作。當(dāng)最后一級火箭發(fā)動機(jī)關(guān)閉后，衛(wèi)星即可進(jìn)入預(yù)定軌道。中高軌衛(wèi)星一般選擇滑翔入軌。

軌道

軌道是指人造地球衛(wèi)星從末級火箭推力結(jié)束到人造衛(wèi)星墜落（或返回地面）的運(yùn)動軌跡。

衛(wèi)星的軌道是橢圓形的（我們稱之為開普勒橢圓軌道），地球位于橢圓的焦點(diǎn)之一。衛(wèi)星距離地球最近的點(diǎn)稱為近地點(diǎn)，此時衛(wèi)星的速度最高；衛(wèi)星距地球最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為遠(yuǎn)地點(diǎn)，此時衛(wèi)星的速度最低。遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)都位于橢圓軌道的長軸上。

根據(jù)離地高度，人造地球衛(wèi)星軌道可分為低軌道、中軌道和高軌道三種；按飛行方向可分為順行軌道（與地球自轉(zhuǎn)方向相同）和逆行軌道（與地球自轉(zhuǎn)方向相反）。）、赤道軌道（在赤道上方繞地球飛行）和極軌道（經(jīng)過地球南北兩極）。

返回軌道

有些航天器，如返回式衛(wèi)星、航天飛機(jī)、載人航天器等，在完成任務(wù)后需要返回地球。從離開軌道到著陸地面的飛行路徑稱為航天器的返回軌道。形象地說，設(shè)計返回軌道就像為飛船返回鋪平了一條安全道路，幫助飛船穿過地獄之門，安全降落在地面上。

根據(jù)航天器在返回軌道上所受到的阻力和升力，其返回軌道可分為半彈道、滑翔（升力）和彈道三種類型。

（1）半彈道返回軌道：航天器在重新進(jìn)入大氣層的過程中，不僅會遇到阻力，還會產(chǎn)生部分升力。只要控制得當(dāng)，就可以控制升力的方向，從而在小范圍內(nèi)改變航天器的飛行軌跡。適當(dāng)調(diào)整著陸點(diǎn)的距離可以使著陸點(diǎn)更加準(zhǔn)確。前蘇聯(lián)的聯(lián)盟號飛船和美國的雙子座飛船都采用了這種返回軌道。

(2)滑翔(升力式)返軌：對于具有較大機(jī)翼的航天器，如航天飛機(jī)，重新進(jìn)入大氣層后，機(jī)翼會產(chǎn)生較大的升力，因此可以精確調(diào)節(jié)縱向和橫向距離。降落在跑道上。

(3)彈道返回軌道：航天器重新進(jìn)入大氣層后，只受到阻力，不產(chǎn)生升力。因此，它的行駛速度非?？?。著陸點(diǎn)無法調(diào)整或控制，因此存在較大偏差。美國、蘇聯(lián)早期的航天器以及我國的返回衛(wèi)星都采用了這種返回軌道。

地球靜止軌道

傾角為零的圓形地球同步軌道稱為地球靜止軌道，因為在該軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星始終位于赤道上方的某個位置，并且相對于地球表面靜止。在地球靜止軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星距地球赤道地面的高度為35,786公里。對地靜止軌道是地球同步軌道的一種特例，只有一個軌道。許多人造衛(wèi)星，特別是通信衛(wèi)星，大多使用地球靜止軌道。

太陽同步軌道

太陽同步軌道是指軌道面與太陽始終保持相對固定的方向。其軌道傾角（軌道面與赤道面的夾角）接近90度。在該軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星必須經(jīng)過兩極附近，因此也稱為近極太陽同步衛(wèi)星軌道。

極軌道

極軌道平面與赤道平面之間的夾角為90。在極地軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星可以飛越任何緯度以及每個軌道上的北極和南極。

行星探測器軌道

行星探測器的軌道根據(jù)受力情況分為三個階段：繞地心運(yùn)動階段、繞日心運(yùn)動階段和繞行星質(zhì)心運(yùn)動階段。行星探測器需要沿著過渡軌道行進(jìn)，從一個階段移動到下一個階段。

萬有引力定律

地球上的大部分物體被拋到空中后都會落到地面上。這是由于地球?qū)@些物體的吸引力。牛頓的萬有引力提出，任何兩個物體之間都存在相互吸引力，而不僅僅是地球。

牛頓萬有引力定律表述為：任意兩個質(zhì)點(diǎn)（質(zhì)點(diǎn)是指有質(zhì)量但沒有體積或形狀的點(diǎn)，這是理想化模型）通過連線方向的力相互吸引中心。該引力的大小與兩個粒子質(zhì)量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比。此外，它與兩個物體的化學(xué)成分以及它們之間的材料類型無關(guān)。

那么為什么我們感覺不到手指和鼠標(biāo)之間的吸引力，卻能感受到地球?qū)ξ覀兊奈δ?？這是因為手指和鼠標(biāo)的質(zhì)量太小，我們無法感受到這種吸引力。相反，地球和其他天體具有驚人的質(zhì)量。在考慮天體受力時，我們不能忽視天體之間的引力。

開普勒運(yùn)動定律

1609年，約翰內(nèi)斯·開普勒在其出版物《新天文學(xué)》中發(fā)表了兩條行星運(yùn)動定律。1618年，他發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動第三定律。

開普勒之所以能夠發(fā)現(xiàn)這些定律，是因為他有幸獲得了第谷·布拉赫觀察和收集的非常精確的天文數(shù)據(jù)。根據(jù)丹麥天文學(xué)家布拉赫對行星位置的觀察，開普勒發(fā)現(xiàn)行星的運(yùn)動遵循三個相當(dāng)簡單的定律。

開普勒第一定律，也稱為橢圓定律：每顆行星都在自己的橢圓軌道上繞太陽運(yùn)行，太陽位于橢圓的焦點(diǎn)上。

開普勒第二定律，也稱為面積定律：在相同的時間內(nèi)，太陽和運(yùn)動行星的連線所掃過的面積相等。

開普勒第三定律，又稱調(diào)和定律：各行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方與其橢圓軌道的半長軸的立方成正比。由這個定律可以得出，行星與太陽之間的吸引力與半徑的平方成反比，這是牛頓萬有引力定律的重要基礎(chǔ)。

愛因斯坦的相對論

相對論的誕生

1905年5月的一天，阿爾伯特·愛因斯坦和他的朋友貝索討論了相對論，這是一個已經(jīng)探索了十年的問題。兩人討論了很長時間。突然，愛因斯坦意識到了一件事?；氐郊液?，他想了又想，終于找到了問題所在。第二天，愛因斯坦再次來到貝索家說：謝謝你，問題解決了。事實證明，愛因斯坦想得很清楚一件事：時間沒有絕對的定義，時間和光速之間有著密不可分的聯(lián)系。他找到了問題的解決辦法。然后，經(jīng)過幾周的努力，愛因斯坦提出了他的狹義相對論。后來，他在《論動體的電動力學(xué)》和《關(guān)于相對性原理和由此得出的結(jié)論》等論文中詳細(xì)闡述了狹義相對論的內(nèi)容。

1915年11月，愛因斯坦向普魯士科學(xué)院提交了四篇論文，提出了廣義相對論。后來，愛因斯坦在長論文《廣義相對論的基礎(chǔ)》中提出，將之前應(yīng)用于慣性系統(tǒng)的相對論稱為狹義相對論，將物理定律只適用于慣性系統(tǒng)的原理稱為狹義相對論原理，并進(jìn)一步描述了廣義相對論。自然原理：他相信物理定律在任何以任何方式移動的參考系中都必須成立。

有人可能會問，什么是慣性系？事實上，在慣性系統(tǒng)中，不受力的物體將保持相對靜止或勻速直線運(yùn)動。時間均勻地流逝，空間均勻且各向同性。在其他參考系統(tǒng)中，此功能不可用。顯然，牛頓定律只在慣性系中成立。

狹義相對論和廣義相對論

相對論分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論認(rèn)為，除非兩個物體處于相對靜止或相對勻速直線運(yùn)動的狀態(tài)，否則兩個物體就不處于絕對統(tǒng)一的時間。

例如，鐘樓外墻上掛著一個鐘。從它的三個指針全部重疊的那一刻起，觀察者乘坐的飛船以光速從鐘面出發(fā)，以勻速直線運(yùn)動垂直于鐘面運(yùn)動，那么觀察者就永遠(yuǎn)只能看到第一個秒針擺動的秒數(shù)。這是因為觀察者以光速做直線運(yùn)動，而秒針擺動的圖像也以光速傳播，所以觀察者只能看到第一秒的圖像，因為出發(fā)時間與觀察者相同，而第二秒的圖像可以被觀察者看到。由于圖像比觀察者離開的時間晚了一秒，所以第二秒的圖像無法到達(dá)觀察者的眼睛。

廣義相對論認(rèn)為，萬有引力不是一種力，而是因為物質(zhì)或有質(zhì)量的物體存在的空間和時間是扭曲的、不均勻的，而扭曲的原因就是質(zhì)量的存在。正是由于這個質(zhì)量造成的扭曲，周圍物體或物質(zhì)的運(yùn)動往往會朝著扭曲時空中心點(diǎn)的方向移動，所以從表面上看就像是被物體拉扯而成的。某種拉力。因此，萬有引力是時空被質(zhì)量扭曲的表現(xiàn)。這種表現(xiàn)形式早已給人們留下了一種錯覺，使人們錯誤地認(rèn)為萬有引力是一種直接作用于物質(zhì)或物體的力。

伽利略動力學(xué)理論

擺的等時性

1582年左右，18歲的伽利略通過長期的實驗觀察和數(shù)學(xué)計算，總結(jié)出了鐘擺的等時性定律：在同一地點(diǎn)，用細(xì)線懸掛的物體擺動一周所需的時間只與擺的長度有關(guān)。對于同一個擺，擺動周期始終保持不變。

兩個球同時落地

關(guān)于物體的下落運(yùn)動，亞里士多德認(rèn)為，當(dāng)兩個物體從同一高度落下時，較重的物體先落下，較輕的物體后落下。這一理論主導(dǎo)了西方科學(xué)界一千多年。伽利略對下落物體的運(yùn)動進(jìn)行了詳細(xì)的觀察。這一理論在實驗上和理論上都被否定了，并建立了正確的“自由落體定律”，即在忽略空氣阻力時，不同重量的球會同時落到地面，且下落速度無關(guān)。與重量有關(guān)。

據(jù)說伽利略在比薩斜塔上做了一個實驗，讓兩個不同重量的小球同時落到地上。

重力與加速度的關(guān)系

伽利略對運(yùn)動的基本概念，包括速度（用來描述物體運(yùn)動的速度有多快）和加速度（用來描述物體速度變化的速度）進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在落球的實驗中，他得到了球的力與加速度的關(guān)系，并證明了當(dāng)物體只受到地球引力的影響時，無論物體的質(zhì)量如何，它們的加速度都是相同的。這是力學(xué)史上一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)。伽利略提出的重力與加速度的關(guān)系奠定了動力學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)。在伽利略之前，只有靜力學(xué)有定量描述。牛頓將引力擴(kuò)展到所有力，并根據(jù)力與物體質(zhì)量之間的關(guān)系建立了牛頓第二運(yùn)動定律。

慣性定理

伽利略曾正式提出慣性定律，他稱之為慣性原理：“水平方向運(yùn)動的物體，除非受到外力的干擾，否則將繼續(xù)以相同的方向和速度運(yùn)動”。牛頓后來提到了伽利略的慣性原理。稱為他的第一運(yùn)動定律。

伽利略的相對論原理

我們知道，愛因斯坦曾提出相對論，伽利略關(guān)于相對論基本原理的一些結(jié)論構(gòu)成了愛因斯坦相對論的框架。伽利略認(rèn)為，任何勻速直線運(yùn)動的系統(tǒng)（如勻速直線運(yùn)動的馬車），物理定律都是相同的，因此不存在絕對的運(yùn)動或靜止。這一原理也構(gòu)成了牛頓運(yùn)動定律的框架?？梢姡だ允桥ｎD運(yùn)動定律和愛因斯坦相對論的先驅(qū)。

多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)是指由于波源和觀察者的相對運(yùn)動而導(dǎo)致物體輻射波長的變化。在移動波源面前，波被壓縮，波長變短，頻率變高（藍(lán)移）；在移動波源后面，會發(fā)生相反的效果。波長變長，頻率變低（紅移）；波源的速度越高，效果越大。生活中有這樣一個有趣的現(xiàn)象：當(dāng)救護(hù)車駛近時，聲音越來越大；當(dāng)救護(hù)車駛近時，聲音越來越大；當(dāng)救護(hù)車駛近時，聲音越來越大。而當(dāng)車子離開時，聲音也越來越小。你可能沒有意識到，這種現(xiàn)象與醫(yī)院使用的彩色超聲波屬于同一個原理，即“多普勒效應(yīng)”。

太空任務(wù)的基本要素

太空任務(wù)的四要素：航天器、軌道、運(yùn)載火箭、任務(wù)控制系統(tǒng)

牛頓三定律

我們都有這樣的經(jīng)歷：當(dāng)我們用手掌拍打一塊柔軟的橡皮泥時，一方面，橡皮泥因手掌的力量而變平；另一方面，橡皮泥因手掌的力量而變平了。另一方面，如果用力太大，我們的手掌也會痛，就像橡皮泥也“打”我們一樣。橡皮泥自然不會砸到人。事實上，牛頓第三定律可以很好地解釋這一點(diǎn)。牛頓第三定律指出，兩個相互作用的物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，并且作用在同一條直線上。在上面的例子中，兩個物體是手掌和橡皮泥。橡皮泥壓扁是由于作用在手掌上的力造成的，而手掌的疼痛是由于橡皮泥對手掌的被動反作用力造成的。

此外，牛頓還提出了牛頓第一定律和牛頓第二定律。牛頓第一定律就是上面提到的伽利略提出的慣性定理，即任何物體都必須保持勻速直線運(yùn)動或靜止，直到受到外力迫使它改變運(yùn)動狀態(tài)為止。

牛頓第二定律描述了物體的運(yùn)動與作用在物體上的力之間的關(guān)系。牛頓第二定律指出，物體的加速度（即物體速度變化的速度）與物體所受的力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向為與力的方向相同。牛頓第二定律也很容易理解。例如，當(dāng)我們推動一輛最初靜止的汽車時，我們用力越大，汽車加速得越快。