航天器发展史
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[摘 要] 分类介绍了火箭、卫星、空间探测器、载人航天飞船的发展，主要介绍了苏（俄）美两国对航天器的研究以及他们在不同年代所发射的航天器
[关键词] 航天器；火箭；卫星；空间探测器；载人航天飞船
History of the Development of Spacecraft
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Abstract：Category introduce the rockets，satellites，space probes，manned spacecraft of the hair exhibition, the main introduction of the Soviet Union (Russia) and the United States the study of spacecraft and their launch at different times by spacecraft
Key words：Spacecraft；Rocket；Satellite；Space probes；Manned spacecraft
引言 航天器的基本知识
“在太空基本上按照天体力学规律运行，具有一定功能并执行一定任务的飞行器，称为航天器。航天器包括人造卫星、载人航天器(载人飞船、空间站和航天飞机)和空间探测器(月球探测器、行星探测器等)三大类。”[1]世界上第一个航天器是苏联1957年10月 4日发射的“人造地球卫星1号”，第一个载人航天器是苏联航天员加加林乘坐的东方号飞船，第一个把人送到月球上的航天器是美国“阿波罗11号”飞船，第一个兼有运载火箭、航天器和飞机特征的航天飞机是美国“哥伦比亚号”航天飞机。至今，航天器还都是在太阳系内运行。
通常，航天器分为人造地球卫星、空间探测器和载人航天器。人造地球卫星，简称人造卫星，是数量最多的航天器，约占航天器总数的90％以上。 空间探测器，又称深空探测器，按探测目标分类。载人航天器，按飞行和工作方式分为载人飞船、航天站和航天飞机。航天飞机既是航天器又是可重复使用的航天运载器。
航天器在天体引力场作用下的运动方式主要有两种：环绕地球运行和飞离地球在行星际空间航行。环绕地球运行轨道是以地
球为焦点之一的椭圆轨道或以地心为圆心的圆轨道。行星际空间航行轨道大多是以太
阳为焦点之一的椭圆轨道的一部分。航天器克服地球引力在空间运行，必须获得足够大的初始速度。在地球表面的环绕速度，称为第一宇宙速度。高度越高，所需的环绕速度越小。航天器在空间某预定点脱离地球进入行星际飞行必须达到的最小速度叫做脱离速度，又叫逃逸速度。预定点高度不同，脱离速度也不同。在地球表面的脱离速度称为第二宇宙速度。从地球表面发射飞出太阳系的航天器所需的速度称为第三宇宙速度。
一、 火箭技术
火箭是人类实现航天的重要工具，无论是载人飞船还是人造卫星，都需要火箭作为运输载体。中国三国时期就出现一种带火的箭，即在箭杆前部绑有易燃物，点燃后用弓弩射出，称为火箭。后来火箭在古代中国逐渐发展为多种构造，如神火飞鸦，火龙出水等。19世纪末20世纪初，随着科学技术的进步，近代火箭技术和航天飞行发展起来，先驱者的代表人物有前苏联的齐奥尔科夫斯基，美国人戈达德和德国奥伯特。齐奥尔科夫斯基毕生从事火箭技术和航天飞行的
研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明用多级火箭可以克服地心引力进入太空。他建立了火箭运动的基本数学方程，奠定了理论基础。戈达德博士在1010年开始进行近代火箭的研究工作。他在1919年的论文中提出了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有7.9km/s的速度才能克服地球的引力。他认识到液体推进剂火箭具有极大的潜力，1926年3月他成功在研制和发射了世界上第一枚液体推进剂火箭，飞行速度103km/h，上升高度12.5米，飞行距离56米。 真正的近代火箭的出现是在第二次世界大战时的法西斯德国。早在1932年德国就发射A2火箭，飞行高度达3公里。1942年10月成功发射V-2火箭（A4型），飞行
高度85公里，飞行距离190
公里。
图1 V-2火箭
V-2火箭的发射成功，把航天先驱者的理论变成现实，是现代火箭技术发展史的重要一页。“美国在1926年由戈达德带领成功研制试验世界第一枚液体火箭，到1941年先后设计试验了代号为A,K,L,P的4种系列火箭。在这些火箭的改进中，主要加大了发动机尺寸，燃料的混合比例，利用陀螺控制燃气舵，研制小型离心 来喷住推进剂，其中1940年研制的火箭已与V-2相差无几了。”[2]1945年5月，第二次世界大战德国战败，前苏联俘虏部分德国火箭技术人员，缴获了几枚V-2火箭和有关技术资料。在此基础上，1947年前苏联仿制V-2火箭成功。1948年自行设计了P-1 火箭，射程达
300公里。1950年和1955年又先后研制成P-2和P-3火箭，射程分别达到500公里和1750公里。1957年8月，成功发射两级液体洲际导弹P-7，射程8000公里，经过改装的P-7于1957年10月4日，成功发射世界上第一颗人造地球卫星，从而揭开了现代火箭技术新的一页。前苏由于发射多种航天器的需要，先后研制成功"东方"号、"联盟"号、"宇宙"号、"质子"号、"能源"号等多种型号的运载火箭，可将100多吨的有效载荷送入近地轨道。
二、卫星时代
1957年10月4日，前苏联用“卫星”号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外径0.58米，外伸4根条形天线，重83.6公斤，卫星在天上正常工作了三个月。同年11月3日，前苏联发射了第二颗卫星，卫星呈圆锥形，重508.3公斤，这是一颗生物卫星，除了利用小狗"莱伊卡"作生物试验外，还用于探测太阳紫外线，X射线和宇宙线。按照今天的标准衡量，前苏联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆球，但它却是世界第一个人造天体，把人类几千年的梦想变成现实，为人类开创了航天新纪元。人造地球卫星的计划设想早在1945年就在美国出现，美海军航空局已着手研究一种把科学仪器
送入太空的卫星，次年美国陆军航空局在审核“兰德计划”的一项类似的研究报告中，就有"实验性环球空间飞行器"
的初步设计。
图2 前苏联发射的第一颗人造地球卫星
随着现代科学技术和一系列大功率运载火箭的发展，为人造地球卫星的研制和发射打下了坚实的基础。人造地球卫星出现之后，60年代前苏联和美国发射了大量的科学
实验卫星、技术实验卫星和各类应用卫星。70年代军、民用卫星全面进入应用阶段，并向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋和地球资源等专门化方向发展。同时各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本方向发展。80年代后期新起的单一功能的微型化、小型化卫星是卫星发展上的新动向，这类重量轻、成本低、研制周期短、见效快的小型卫星将是未来卫星的一支生力军。
三、空间探测器
1959 年1月苏联发射了第一个月球探
测器——月球1号，此后美国发射了徘徊者号探测器、月球轨道环行器、勘测者号探测器。60年代以后 ，美国和苏联先后发射了100多颗行星和行星际探测器、分别探测了金星、火星、水星、木星和土星，以及行星际空间和彗星。1998年10月美国航宇局发射的空间探测器“深空”1号率先实现了以离子发动机系统为主推进，这标志着电推进的应用进入了一个崭新阶段。“深空”1号在离子推进系统工作期间，其自主导航仪能够根据太阳电池阵产生电能的模型和器载设备功耗的情况，选择推力器的节流级，调节推力大小。在一般情况下，弹道机动和中途修正也由离子推进系统来执行。目前法国正在研制稳态等离子体推力器，欧空局准备应用氙离子推力器。俄罗斯的稳态等离子体推力器得到了实际应用。日本的电弧加热式推力器已在空间自由飞行器上通过在轨测试。
图3 “深空”1号
目前，国际电推进研究对象还扩展到了
一些采用新的工作原理的推进方案，如采用微加工工艺成型的微型离子器、采用等离子
体气体聚变的推力器等。国际上核推进技术的研发也已崭露头角。核推进火箭提供的最大速度增量可达到每秒22千米，可以大大缩短探测器到达月球的时间。运用核推进火箭，探测器到达土星的飞行时间只需要3年，而传统航天器则要花费7年的时间。核推进火箭非常安全而且有利于环保，这一点与人们平时的想象相反，因为发射核火箭时，放射性并不强。载有核助推器的空间探测器可作为普通化学火箭头部的有效载荷被发射出去，当有效载荷进入地球高轨道(即大约
800千米以上)时，核反应堆开始工作。制造核动力火箭发动机所需的技术并非遥不可及。目前美国已经设计出一种小型核动力火箭发动机，称为微型核反应堆发动机，大约还要6～7年可制造出来。美国航宇局最近表示，它近期在月球探测技术方面想做的主要是加速包括核能推进在内的新推进技术的研发工作。高效能源变换技术将朝着小型、轻便太阳电池方向发展。在传输技术方面，未来将开发微波或激光能源传输技术，包括从卫星到月球探测器，从月球上的能源站到月球探测器等的能源传输。由于传统控制技术越来越难以满足航天器月球探测任务多样性和姿态控制、轨道控制的高性能指标要求，先进航天国家早在20世纪80年代就着手发展航天器智能自主技术，并在自己的空间探测计划中逐渐增大了对智能自主技术的投入力度。欧空局较早就展开了在轨智能自主技术的研究。美国航宇局“新盛世”计划把智能自主技术放在首位，旨在研制自主航天器，使深空探测器能自主完成导航控制、数据处理、故障判断和部分重构与维修工作，从而大大减少对地面测控、通信等支持系统的依赖。俄罗斯和日本的航天研究机构，在自主技术方面也都开展了研发工作。印度宇航界也非常重视具有自主功能的软件的开发。
四、载人航天飞船
载人航天在航天活动中占有重要位置。尽管航天器携带装置精确、灵敏度高、能自动观察、操作、储存、处理数据，但它们不能代替人的思维。初期载人航天器一方面研
究航天技术，另一方面进行生物学和医学试验，研究航天员在长期失重条件下的反应，航天员在密闭舱中的工作能力，航天器对接时和走出航天器时的人的生理反应。前苏联自1961年4月到1970年9月共发射了17艘载人飞船（“东方”号6艘,“上升”号2艘,“联盟”号9艘）。1965年3月航天员在“上升”号上第一次走出飞船，1966年1月两艘“联盟”号飞船第一次在轨道上交会对接，并实现两个航天员从一艘飞船向另一艘飞船转移。1971年到1982年发射了7艘重量为18-20吨的“礼炮”号空间站，截至1985年还发射了27艘载人飞船（“联盟”T号、TM号）和25艘无人飞船（“进步”号）用作天地往返运输系统。1986年发射了“和平”号空间站，这是未来永久性空间站的核心舱，将于90年代建成由7个舱组成的大型空间站。
美国自1961年5月至1966年11月发射了16艘载人飞船（“水星”和“双子星座”）。“水星”和“双子星座”计划是载人登月飞行目标“阿波罗”计划的头两个阶段，1965年6月“双子星座”飞船上的航天员第一次步入式环境试验室太空，1966年3月“双子星座”-8号和“阿金纳”飞行器在轨道上第一次成功地实现对接，此后，“双子星座”飞船系统进行过多次交会和对接。1967年至1972年共发射了14次“阿波罗”飞船（其中3次无人飞行，3次载人绕月飞行，6次载人登月飞行，12名航天员登上月球）。1973年发射了“天空实验室”并和“阿波罗”飞船进行过对接。1969年尼克松政府宣布70年代研制载人航天飞机，1984年里根政府宣布90年代建立永久性载人空间站。1993年9月美俄二国达成协议，合作建造一个有16国参加的国际空间站，2006年完成。另一方面，美国和俄罗斯关于载人火星飞行的计划正在悄悄进行之中。二、三十年以后，人类就可能登上红色的行星--火星。中国也于1999年11月20日利用长征二号乙火箭发射“神舟号”无人试验飞船上天，11月21日飞船顺利回收，我国航天技术实现了历
史性的跨越。
图4 “阿波罗”13号
图5 “神舟号”无人试验飞船
五、综述
航天技术“是高度综合的现代科技 ,是许多最新科技成就的集成 ,对国家现代化和社会进步有宏观促进作用 ,高投入、高风险和高效益是其特点航天器的发展体现了一个国家的综合科技水平”[3]，它们的不断进步是人类的不断进步，是人们对宇宙的不断探索。航天器的发展是紧紧依赖于各学科的发展的，材料、动力学等自然学科对它们的发展有直接的关键的影响，管理、人文等社会学科对它们的发展也有着极重要的影响。
参考文献
[1]朱毅麟. 漫话航天器命名.科技术语研
究机构.中国空间技术研究院 [2]贾乃华主编.1999年04月第1版，第十
页第三段 [3] 杨嘉墀, 庞之浩. 20世纪世界航天器
的发展. 世界科技研究与发展,22卷2期，第二十一页第七段