航太

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2000年質子號運載火箭載運星辰號服務艙前往國際太空站

航太指與研究和探索外太空有關的領域,太空飛行器在太空的航行活動。科學界一般把太陽系內的航行活動稱為「航太」,而把太陽系外的航行活動稱為「航宇」。

按太空飛行器探索、開發和利用的對象劃分,航太包括環繞地球的運行、飛往月球的航行、飛往行星及其衛星的航行、星際航行(行星際航行、恆星際航行)。按太空飛行器與探索、開發和利用對象的關係或位置劃分,航太飛行方式包括飛越(從天體近旁飛過)、繞飛(環繞天體飛行)、著陸(降落在天體上面)、返回(脫離天體、重返地球)。

執行軍事任務(具有軍事目的)的航太活動,稱為軍用航太;執行科學研究、經濟開發、工業生產等民用任務(具有非軍事目的)的航太活動,稱為民用航太;執行商業合同任務(以營利為目的)的航太活動,成為商業航太。有人駕駛太空飛行器的航太活動,稱為載人航太;沒有人駕駛太空飛行器的航太活動,稱為不載人航太。

航太的主要目的是太空探索,其商業用途主要是衛星通訊,也有近來興起的太空旅遊。其他非商用的用途包括星空觀測,間諜衛星和地球觀測。

歷史

 
康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基, 火箭專家和宇航先驅

可行的太空旅行的方案可以追溯到康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基,他最著名的作品——"Исследование мировых пространств реактивными приборами"(《利用反作用力設施探索宇宙空間》)發表於1903年,他最早從理論上論證多級火箭可以克服地心引力進入太空[1],但當時這份理論著作沒有在蘇聯以外產生廣泛影響。

航太成為可行工程始於1919年,羅伯特·戈達德發表了論文《到達超高空的方法》;其中把拉伐爾噴管應用到液態火箭發動機,其足夠的動力使星際旅行成為可能。他還在實驗室中證明了火箭可以在真空空間工作,但當時沒有得到普遍認同。這篇論文對後來航太工程的關鍵人物極具影響,其中包括赫爾曼·奧伯特和沃納·馮·布勞恩。

1944年6月,德國V-2火箭在一次飛行測試達到189 km的高度,這是第一枚到達太空的火箭[2]

1957年10月4日,蘇聯發射史潑尼克1號,它是第一顆進入地球軌道的人造衛星。

1961年4月12日,東方一號承載蘇聯太空人尤里·加加林進行環繞地球軌道一次,這是首次載人航太。東方一號是由謝爾蓋·科羅廖夫與克里姆·阿利耶維奇·克里莫夫所設計的[3]

火箭目前依然是到達太空的唯一實際手段。超音速燃燒衝壓發動機等其他非火箭運載技術仍遠低於軌道速度。

航太的開始階段

發射

 
阿波羅4號發射前的在發射台上的土星5號運載火箭

火箭的發射通常在發射場上,場區內有整套試驗設施與設備,用以裝配、儲存、檢測和發射太空飛行器,測量飛行軌道,發送控制指令,接收和處理遙測信息[4]。出於噪音和安全方面的原因,發射場選在遠離人類居住的地方。航太發射場多數由飛彈實驗靶場改造而成,他們的組成設備和功能基本相同[5]

發射通常受一定的發射窗口限制。這些窗口取決於天體的位置和相對於發射場的軌道。影響最大的往往是地球的自轉。一經發射,軌道通常在一個相對固定的平面上,該平面與地球軸成一固定角度,而地球在這個軌道上旋轉。

發射台是一個用於發送飛行器的固定的結構。通常包括發射塔和火焰溝槽。並由豎立,燃料,穩定運載火箭等裝置包圍。

到達太空

國際航空聯合會定義在100公里的高度為卡門線,高於此線就是太空。

火箭是目前到達太空唯一的可行手段。常規飛機發動機不能達到缺乏氧氣的空間。火箭發動機排出推進劑提供前向推力,產生足夠的加速度進入軌道。針對不同應用的推進系統包括:

對於載人發射系統通常會安裝發射逃逸系統,用於在發生災難性故障的情況下讓太空人逃生。

到達太空的其他方法

航太到達太空階段

航太飛行的速度要求

 
發射於1959年的月球1號是首個達到第一宇宙速度的人造物體.[6] 圖為博物館複製品照片

宇宙速度是物體從地球出發,在天體的重力場中運動,四個較有代表性的初始速度的統稱。太空飛行器按其任務的不同,需要達到這四個宇宙速度的其中一個。

第一宇宙速度

第一宇宙速度又稱為環繞速度,是指在地球上發射的物體繞地球飛行作圓周運動所需的最小初始速度。若在150千米的飛行高度上,其環繞速度為7.8千米/秒。

第二宇宙速度

第二宇宙速度,亦即地球的逃逸速度,是指在地球上發射的物體擺脫地球引力束縛,飛離地球所需的最小初始速度。若太空飛行器已到達近地軌道的高度,太空飛行器的脫離速度約為10.9千米/秒。

第三宇宙速度

第三宇宙速度,亦即太陽的逃逸速度,是指在地球上發射的物體擺脫太陽引力束縛,飛出太陽系所需的最小初始速度。本來,在地球軌道上,要脫離太陽引力所需的初始速度為42.1千米/秒,但地球繞太陽公轉時令地面所有物體已具有29.8千米/秒的初始速度,故此若沿地球公轉方向發射,只需在脫離地球引力以外額外再加上12.3千米/秒的速度。

第四宇宙速度

第四宇宙速度是指在地球上發射的物體擺脫銀河系引力束縛,飛出銀河系所需的最小初始速度。但由於人們尚未知道銀河系的準確大小與質量,因此只能粗略估算,其數值在525千米/秒以上。而實際上,仍然沒有太空飛行器能夠達到這個速度。

航太動力學

航太動力學是研究太空飛行器和運載器在飛行中所受的力及其在力作用下的運動的學科,其中主要是對引力和推進作用的研究。航太動力學的研究可以使太空飛行器不需要額外的推進劑而準時到達目的地。 非火箭軌道推進方法包括太陽帆磁化帆,和使用重力彈弓效應

航太返回階段

再入

 
太空飛行器再入時的電離氣體痕跡

由於在目前的技術條件下返回大氣層時太空飛行器的速度極高,因此非破壞性返回的過程一般需要有特殊的措施來保護太空飛行器避免受到氣動力加熱和震動、衝擊等損害。再入原理由Harry Julian Allen提出.而從原理中顯示,鈍形隔熱板效率最佳,因為返回式太空飛行器的摩擦熱與阻力係數成反比,即阻力愈大,熱負荷愈低。

著陸

太空飛行器下降到約15km的高空,速度已減少到亞音速。為了保證安全著陸,需要採取進一步的減速措施。彈道式再入太空飛行器常採取降落傘作為著陸減速手段。[7]

回收

 
由C-119飛機回收發現者14

著陸成功後的太空飛行器,其乘員和貨物可以回收。在某些情況下,太空飛行器降落時就可以回收:當太空飛行器還在降落傘下降落,它可以通過特殊設計的飛機回收。這種半空回收技術用於間諜衛星的回收。

航太活動分類

載人航太

 
STS-119組員訪問後的國際太空站.

載人航太是由太空人執行的太空探索,可以由單人或多人執行。載人航太需使用載人太空飛行器進行。

歷史上首次載人航太任務是發射於1961年4月12日的東方1號,蘇聯太空人尤里·加加林在環繞地球軌道一周後安全返回地球。1963年6月16日,蘇聯太空人瓦蓮京娜·捷列什科娃執行東方6號任務時成為了第一名進入太空的女性。1966年,美國的雙子星11號創造了最高地球軌道記錄,飛行高度達1374千米。發射和修理哈勃太空望遠鏡的兩次太空梭任務也曾達到600千米左右的飛行高度。2003年,中國神舟五號太空人楊利偉,成功圍繞地球十四圈,中國為第三個成功進行載人航太的國家。

迄今為止,載人航太飛行目標在地球軌道之外的任務只限於月球,儘管月球本身也是地球的衛星。第一次去月球的載人任務阿波羅8號中,三位太空人曾進入月球軌道。阿波羅10號第二次環繞了月球,在月球軌道進行了登月太空飛行器的測試。

人造衛星

人造衛星是由人類建造的太空飛行器的一種,也是數量最多的一種。人造衛星以太空飛行載具如運載火箭太空梭等發射到太空中,像天然衛星一樣環繞地球或其它行星運行。

太空探索

太空探索是指以物理手段探索地球以外物體以及探索太空時涉及到的任何技術, 科學政策。人類歷史上最著名並最有影響力的一次太空探索是在冷戰太空競賽期間第一個人類成功踏上月球

太空旅遊

太空旅遊指非以執行任務(例如進行實驗或工作)為目的,而搭乘太空船參與太空飛行。在蘇聯解體後,由於太空船的操作成本極大,同時要付給哈薩克拜科努爾太空中心地租與使用場地費,俄國為籌措經費,開放了民間金錢贊助,報酬即為可讓贊助者搭乘太空船進入太空,因此大多數太空遊客為支付大筆費用的億萬富翁。由於NASA的太空任務僅供國際專門科研之用,故現今太空旅遊仍以俄國為主。

太空飛行器與發射系統

 
阿波羅登月艙在月球表面

太空飛行器是指在地球大氣層以外的宇宙空間中,基本按照天體力學的規律運動的各種飛行器[8]。太空飛行器與自然天體的不同之處在於其可以受控改變其運行軌道或進行回收。常見的太空飛行器包括人造衛星太空探測器太空梭和各種太空站等。太空飛行器要完成其任務必須具備發射場、運載器、航太測控系統、數據採集系統、用戶站台以及回收設施等的配合。

太空飛行器推進

太空飛行器推進是任何加速太空飛行器和人造衛星的方法,目前已知具有許多方式,每一種方式都有弱點與優點。目前許多推進方式是採用火箭

一次性使用運載系統

一次性使用運載系統使用一次性的運載火箭把載荷發射入太空。顧名思義,一次性的運載火箭火箭只使用一次,火箭的各部件發射後不會被回收並用於其他的發射。由於現今的運載火箭都是一次性的,所以一次性的運載火箭也可以簡稱為運載火箭。運載火箭一般由多節火箭串聯而成,在火箭飛行逐級使用並逐級拋棄。

可重複使用的發射系統

 
STS-1任務中發動機點火後的哥倫比亞號太空梭

挑戰

太空飛行器災難

為了讓太空飛行器進入軌道,所有的運載火箭都包含了大量的燃料,因此存在能量突然大量釋放的風險,而且可能會造成災難性的影響。像德爾塔-2運載火箭在1997年1月17日在起飛後13秒爆炸[9],當時16公里外的商店櫥窗有因爆炸影響而破裂[10]

太空飛行器內是個較可以預期的環境,但仍然有意外的卸壓或設備(尤其是新開發導入的設備)失效的可能性。

2004年時國際太空安全促進協會英語International Association for the Advancement of Space Safety在荷蘭成立,目的在促進在航太系統安全上的跨國合作及科學研究[11]

失重

 
國際太空站上的太空人失重

在微重力的環境中(例如在地球軌道的太空船中),太空人會體驗到失重的情形。短暫的失重會造成航太微重力症候群英語space adaptation syndrome,是因為前庭系統的紊亂引起的噁心症狀。長時的失重會造成一些健康上的問題,最明顯的是骨質流失,而且可能有部份是永久性的,微重力也會造成肌肉及心血管組織的顯著機能失調

輻射

只要離開大氣層後,就會有來自范艾倫輻射帶太陽光宇宙線的輻射。

在遠離地球之後,太陽的閃焰會在數分鐘達到致命的輻射劑量,而且在暴露在宇宙線十年或更長時間下,癌症的可能性會顯著的增加[12]

維生系統

載人航太飛行器中,生命保障系統是指一組可以讓人在外太空可以生存的設備。NASA會用「環境控制及生命保障系統」的詞語,或是其簡稱ECLSS來描述載人航太飛行器中的生命保障系統[13]。生命保障系統會提供:空氣食物,也會讓體溫維持在正常的溫度,讓身體的壓強在可承受的範圍內,並且處理人體的排泄物。生命保障系統也可能要隔絕像輻射及隕石微粒等外來影響。生命保障系統中的設備都屬於生命攸關系統,需依照安全工程的技術來設計及構建。

太空天氣

 
極光「發現號」(1991年5月)

太空天氣在一些領域對太空探索和發展有深遠的影響。不斷變化的地磁條件可以造成大氣密度的急劇改變,造成低地球軌道上太空船高度的墮落。由於太陽活動增強產生的地磁風暴可能導致航太飛行器上的感應器暫時失常,或是干擾到飛行器上的電子儀器。此外,磁暴也會影響到在高緯度上常態飛行的飛機,使受到的輻射總量增加[14]。很好的了解太空環境狀況對設計太空船的遮罩和載人太空船的生命支援系統也是很重要的。

參考文獻

引用

  1. ^ 褚桂柏 2002, p. 2.
  2. ^ "The V2 and the German, Russian and American Rocket Program", C. Reuter. German Canadian Museum. p. 170. ISBN 978-1-894643-05-4, ISBN 978-1-894643-05-4.
  3. ^ Peter Bond, Obituary: Lt-Gen Kerim Kerimov, The Independent, 7 April 2003.
  4. ^ 褚桂柏 2002, p. 15.
  5. ^ 褚桂柏 2002, p. 358.
  6. ^ http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1959-012A
  7. ^ 褚桂柏 2002, p. 93.
  8. ^ ,謝礎, 賈玉紅, 黃俊, 吳永康. 航空航天技術概論(第2版). 北京航空航太大學出版社. 2008: 7, 8. ISBN 978-7-81124-428-1. 
  9. ^ 盤點世界航空史上發生的重大災難
  10. ^ Unmanned rocket explodes after liftoff. CNN. 
  11. ^ The second IAASS: Introduction. Congrex. European Space Agency. [3 January 2009]. 
  12. ^ Super Spaceships, NASA, 16 September 2002, Retrieved 25 October 2011.
  13. ^ Breathing Easy on the Space Station. NASA. 
  14. ^ Mertens, Christopher. Progress on NASA NAIRAS Model Development (PDF). Space Policy Institute Workshop on Space Weather, Aviation, and Spaceflight. 2008-01-11 [2008-04-27]. (原始內容 (PDF)存檔於2008-05-28). 

來源

書籍
  • 褚桂柏 主編 (編). 《航天技術概論》. 中國宇航出版社. 2002: 425. ISBN 9787801444783. 

參見