航空航天技術(shù)的發(fā)展史范文

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篇1

關(guān)鍵詞：物理；航空航天；問題；探討

中國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展也給我們的高考命題提供了很好的素材。2008年發(fā)射"神舟七號"，航天員出艙在太空行走；2011年8月，"嫦娥二號"成功進入了繞"拉格朗日點"的軌道，我國成為世界上第三個造訪該點的國家；"神州八號"飛船與"天宮一號"目標飛行器成功實施了首次交會對接等，都給了我們非常生動的情境。下面我就從航天技術(shù)的發(fā)展歷程、載人航天工程七大系統(tǒng)等方面來研究航空航天中的物理問題，具體如下：

一、航空航天技術(shù)的發(fā)展

人類很早就有了航天的思想，我國古代流傳的"嫦娥奔月"、"吳剛砍桂"等傳說故事，就是對人類航天理想的生動描繪之一。當然，人類真正實現(xiàn)這種理想是到19世紀末才開始起步的.從那時起，相繼涌現(xiàn)出俄國的齊奧爾科夫斯基，美國的戈達德和德國的奧伯特等富于探索精神的航天先驅(qū)者。俄國的奧爾科夫斯基最早從理論上證明用多級火箭可克服地球的引力而進入太空，建立了表征多級火箭理想速度的著名的齊奧爾科夫斯基公式。而且他肯定了液體發(fā)動機是航天飛行器最適宜的動力裝置。美國的戈達德是液體火箭的創(chuàng)始人。他曾指出，要克服地球引力，火箭必須具有每秒79公里的速度。他在1921年開始研制液體火箭發(fā)動機，1926年3月16日，他研制的液體火箭飛行成功。德國的奧伯特也是最早的火箭和航天的理論家和實踐者。1923年奧伯特論述了火箭飛行的數(shù)學理論，并對火箭結(jié)構(gòu)和星際飛行提出了許多新觀念。到了1942年10月3日，德國太空協(xié)會的青年專家布勞恩領(lǐng)導的航天研究小組，經(jīng)過艱苦的探索，在總結(jié)歷次失敗教訓的基礎(chǔ)上，終于發(fā)明了再生冷卻式燃燒室和燃氣舵等新技術(shù)。采用這些新技術(shù)，終于獲得彈道導彈（V-2）的發(fā)射成功[1]。從而在工程上實現(xiàn)了航天先驅(qū)者的技術(shù)思想，取得向地球引力挑戰(zhàn)的勝利，并對后來大型火箭的發(fā)展起到了繼往開來的重大作用。堪稱是人類航天發(fā)展史上的一個里程碑。

第二次世界大戰(zhàn)后，前蘇聯(lián)和美、法、日、加拿大、澳大利亞等國家，都先后發(fā)射了探空火箭，創(chuàng)造出發(fā)射393公里高度的紀錄，獲得了許多高層空間的寶貴資料，為發(fā)展航天奠定了科學基礎(chǔ)。經(jīng)過10多年的艱苦探索之后，于1957年10月4日，前蘇聯(lián)把世界上第一顆人造地球衛(wèi)星送入大氣層外的運行軌道，開創(chuàng)了人類航天史的新紀元。以后，美、英、法、日和中國、印度等國均成功地發(fā)射了人造衛(wèi)星。自60年代中期開始，衛(wèi)星的發(fā)展便從探索試驗轉(zhuǎn)入實用階段。如今，人類發(fā)射的偵察、預警、通信導航、天文氣象、海洋監(jiān)視、測地探礦等應用衛(wèi)星巳超過2500顆，它們在經(jīng)濟、軍事和科研中發(fā)揮了非常大的作用。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，人類不斷刷新航天紀錄.創(chuàng)造出一個個驚人的奇跡。諸如：1961年4月12日開辟了載人航天的成功之路；從1959年開始又開創(chuàng)了對月球的探測和人類登月考察的新篇章；自70年代起，人類對太陽系中的行星先后進行了探測，前蘇聯(lián)和美國并相繼在空間建立了航天站；80年代初又發(fā)明了能重復使用的航天飛機等等。這些令人鼓舞的成就，對航天技術(shù)及其它科學領(lǐng)域的發(fā)展都具有深遠的歷史意義。

二、物理在航空航天中的應用

（一）火箭推進原理

所有航天器的發(fā)射都依靠火箭技術(shù)，而火箭的飛行是遵循著質(zhì)點系動量定理和動量守恒的。豎立在發(fā)射架上的火箭本身帶有燃料和氧化劑，火箭在發(fā)射前總動量為零，當點火燃燒后，高溫高壓的氣體不斷從火箭尾部的噴管往后噴出，從而使火箭獲得向上的巨大推力，克服自身的重力，向太空沖去。下面我們看一下火箭所受的推力大小和火箭的運動速度。

（二）火箭的速度

火箭是依靠連續(xù)不斷的噴出大量質(zhì)量m極小的燃料氣體才得到連續(xù)平穩(wěn)的加速上行。為了進一步說明火箭在這一過程中獲得的速度，先不考慮地球的重力作用，將質(zhì)量為M的火箭中的燃料燃燒后噴出的燃料氣體看成質(zhì)量為m（遠小于M）、相對火箭速度為u的細小彈丸，由于火箭不受任何外力，因此火箭系統(tǒng)總動量守恒，當彈丸以速度u向后噴出，火箭就獲得與彈丸等量而方向向前的動量，由于燃料不斷燃燒，火箭體的質(zhì)量就不斷減小，因而火箭是一個變質(zhì)量體系，我們用動量守恒來計算火箭最后得到的速度。

（三）多級火箭

從以上的分析可知，要想航天器上天，至少要獲得7.9km/s 的速度，而要到達其他行星或是其他星系，則需要更大的速度。要想火箭得到大的速度，就必須增大燃料氣體的噴射速度u和增大質(zhì)量比M/Me。我們先看燃料氣體的噴射速度，它受到諸多因素的影響，一種液態(tài)的常規(guī)燃料是偏二甲肼（ H-N-N-CH3）加四氧化二氮（N2O4），燃料后氣體的速度u接近2km/s，另一種非常規(guī)的燃料（如液氫加液氧）做推進劑，其噴射速度可達4km/s。同時由于火箭上所裝載的儀器設(shè)備等的影響質(zhì)量比M/Me 也有所限制，大約在10到20之間[2]。在這樣的條件下，我們可以對一級火箭所能達到的末速度做一估計，其速度必須達到10.8（km/s）這并不是火箭真正能達到的速度，必須考慮地球引力和空氣阻力的影響等，所以最終的單級火箭的速度只可能達到7km/s左右，小于第一宇宙速度7.9km/s，無法將航天器送上天。

實際的火箭通常為多級火箭，是用多個單級火箭經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)（即捆綁式）組合而成的一個飛行整體。

三、載人航天工程七大系統(tǒng)

（一）航天員系統(tǒng)

載人航天首先要有航天員及其上天飛行的保障設(shè)施。這是一個航天員為中心的醫(yī)學和工程相結(jié)合的復雜系統(tǒng)。它涉及航天生命科學和航天醫(yī)學等領(lǐng)域，包括航天員的選拔訓練、航天員的醫(yī)學監(jiān)督保障、 航天員的一樣食品、航天員飛行訓練模擬等分系統(tǒng)。

（二）載人飛船系統(tǒng)

飛船是載人航天的核心部分，它為航天員和有效載荷提供必要的生活和工作條件，保證航天員進行有效空間實驗和出艙活動，并安全返還地面。

（三）運載火箭系統(tǒng)

運載火箭是把載人飛船安全可靠送入預定軌道的運載工具。包括箭體結(jié)構(gòu)、動力裝置等10個分系統(tǒng)，特別是增加了載人所需的故障監(jiān)測分系統(tǒng)和逃逸救生分系統(tǒng)。

（四）飛船應用系統(tǒng)

載人航天工程最終是為了應用，創(chuàng)造效益，因此飛船應用系統(tǒng)是備受關(guān)注的部分。它利用載人飛船的空間試驗支持能力，開展對地觀測、環(huán)境監(jiān)測、生命科學、材料科學、流體科學等試驗，安裝有多項任務上百種有效載荷應用設(shè)備。

（五）測控通訊系統(tǒng)

當運載火箭發(fā)射和載人飛船上天飛行以及返回時，需要靠測控系統(tǒng)通信系統(tǒng)保持天地之間的經(jīng)常聯(lián)系，完成飛船遙測參數(shù)和電視圖像的接受處理，對飛船運行和軌道艙留軌工作的測控管理，這個測控通信系統(tǒng)由北京航天指揮控制中心、陸上地面測控站和海上遠望號遠洋航天測量船隊組成、執(zhí)行飛船軌道測量、遙控、遙測、火箭安全控制，航天員逃逸控制等任務[3]。

（六）發(fā)射場系統(tǒng)

神舟號飛船的發(fā)射場選在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，發(fā)射場系統(tǒng)由技術(shù)區(qū)、發(fā)射區(qū)、試驗指揮區(qū)、首區(qū)測量和航天員區(qū)組成，形成火箭、飛船、航天員從測試到發(fā)射以及上升段、返回段測量的一套完整體系。

（七）著陸場系統(tǒng)

載人航天這路著陸場系統(tǒng)包括主、副著陸場，陸上應急援救、海上應急援救、通信測量、航天員醫(yī)保等部分。

四、結(jié)束語

中學物理考察的內(nèi)容一直與當前航空航天緊密聯(lián)系在一起，充分體現(xiàn)了其注重能力與科學素養(yǎng)、理論與實際相結(jié)合的特點和要求。物理學的研究，與其它學科之間有者顯著的不同，其無論是概念的建立還是規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、概括，都需要思維的加工，與一般的思維過程相比較，在共性之中，物理學科的思維又有其個性。所以需要我們靜下心來，準確把握各個知識點之間的聯(lián)系與區(qū)別，舉一反三，最終做到融會貫通、靈活多變。

篇2

關(guān)鍵詞: 高等金屬學材料研究領(lǐng)域作用

在人類社會的發(fā)展過程中,材料的發(fā)展水平始終是時代進步和社會文明的標志。人類和材料的關(guān)系不僅廣泛密切,而且非常重要。事實上,人類文明的發(fā)展史,就是一部人類利用材料和創(chuàng)造材料的歷史。同時,材料的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,也極大地推動了社會經(jīng)濟的發(fā)展。在當代,材料、能源、信息是構(gòu)成社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱,其中材料更是科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導。

一

隨著社會和科技的進步,人們不僅需要性能更為優(yōu)異的各類高強、高韌、耐熱、耐磨、耐腐蝕的新材料,而且需要各種具有光、電、磁、聲、熱等特殊性能和偶合效應的新材料,同時對材料與環(huán)境的協(xié)調(diào)性等方面的要求也日益提高。生物材料、信息材料、能源材料、智能材料和生態(tài)環(huán)境材料等將成為材料研究的重要領(lǐng)域。展望未來,材料科學與工程學科的發(fā)展方向?qū)⑹?實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)不同層次上的材料設(shè)計,以及在此基礎(chǔ)上的新材料開發(fā);材料的復合化、低維化、智能化和結(jié)構(gòu)材料―功能材料一體化設(shè)計與制備技術(shù);材料加工過程的自動化、集成化,等等。

20世紀最重大的科技成就之一就是人類實現(xiàn)了原子核內(nèi)部巨大能量的釋放。盡管原子能時代的降臨是以核武器為開端的,但核材料也能造福人類,特別是核反應堆、同位素的應用、核醫(yī)學等。核反應堆一般采用熱中子堆,堆心的結(jié)構(gòu)件必須采用鋯合金,因為鋯合金吸收中子的幾率很小,不會破壞堆內(nèi)的鏈式反應,所以要建設(shè)核電工業(yè)系統(tǒng),必須建立鋯材料工業(yè)。

當今最具時代特征的工業(yè)是信息產(chǎn)業(yè),信息產(chǎn)業(yè)的基石是半導體材料。任何高度復雜、高度精細加工的集成電路,都需要高純度、高度摻雜的半導體材料和各種先進工藝的應用。信息技術(shù)的每一次突破都與材料和工藝的創(chuàng)新有著密切的關(guān)系,如高密度的光磁記錄材料給信息的存儲提供了極大的便利。

激光材料也是現(xiàn)代信息科技的一部分。各種波長的激光晶體、半導體激光器、激光光導纖維等對信息傳輸和信息高速公路的實現(xiàn)起著決定性的作用。

在航空航天技術(shù)的發(fā)展過程中,材料的發(fā)展水平對航空航天器的性能至關(guān)重要。航空用結(jié)構(gòu)材料最主要的性能是高比強度和高比剛度,同時具有良好的工藝性能。高強度鋁合金、鈦合金和碳纖維增強的樹脂基復合材料是主要的航空材料。火箭、導彈材料與航空材料相比,關(guān)鍵是瞬時性能。導彈殼體材料對導彈的射程至關(guān)重要,殼體由金屬改為石墨纖維增強的復合材料后,洲際彈道導彈的射程可增加近1000公里。

進入21世紀后,新能源材料的發(fā)展將對社會經(jīng)濟產(chǎn)生重要影響。為了保障世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,解決越來越嚴重的溫室效應和大氣污染等環(huán)境問題,新能源材料將引導傳統(tǒng)能源向潔凈能源、可再生能源、分散型能源等多元化能源發(fā)展。除核能外,當今太陽能材料、燃料電池材料、鋰離子電池材料等取得了很大的研究進展,在不久的將來必然會對社會經(jīng)濟等方面產(chǎn)生巨大影響。

二

一般來說,材料的基礎(chǔ)研究和帶有明確目的的開發(fā)性研究都有它們自身的價值。它們的效用有長有短,在實際生產(chǎn)上的體現(xiàn)有快有慢,但有一點是相同的,那就是要不斷探索。材料的應用研究一旦成功,即一種材料誕生之后,它的應用價值和市場開發(fā)就可以產(chǎn)生較大的輻射作用。比如金屬鈦,作為一種航空材料,它可用機,也可用于化工、建筑、潛艇、首飾等。其應用越廣,需求量越大,則生產(chǎn)成本越低,越能帶動相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。20世紀后期,由于材料的應用越來越廣泛,并滲透到各行業(yè),許多領(lǐng)域都與材料的制備、性質(zhì)、應用等密切相關(guān),使得材料成為機械、電子、化工、建筑、能源、生物、冶金、交通運輸、信息科技等行業(yè)的基礎(chǔ),并與這些相關(guān)學科交叉發(fā)展。

三

自20世紀60年代初以來,物理、化學等學科的發(fā)展推動了對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性和材料本質(zhì)的研究和了解;冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等的發(fā)展推動了對材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系的研究;金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等各類材料具有共同的或相似學科基礎(chǔ)、學科內(nèi)涵、研究方法與研究設(shè)備;同時科學技術(shù)的發(fā)展在客觀上需要對各類材料的全面了解和研究。

現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的特點是,一方面,學科呈現(xiàn)出多科性,新興學科不斷涌現(xiàn),另一方面,學科發(fā)展又呈現(xiàn)出高度綜合的趨勢,交叉學科和邊緣學科層出不窮。學科交叉的形式可以多種多樣。如美國的著名大學一般都設(shè)有材料研究中心或材料研究實驗室,其研究人員往往橫跨高分子、金屬、陶瓷、表面改性、解剖、動物實驗、細胞培養(yǎng)等研究方面。金屬材料的性能主要取決于它的化學成分和組織、結(jié)構(gòu)。化學成分不同的金屬材料具有不同的性能;而相同成分的金屬材料經(jīng)過不同加工處理,具有不同的組織、結(jié)構(gòu)時,也將具有不同的性能。可以認為:化學成分規(guī)定了組織、結(jié)構(gòu)的可能變化范圍,而加工工藝是獲得某種預期組織、結(jié)構(gòu)的手段。

四

金屬學是以金屬和合金的化學成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系作為研究對象的,以這些關(guān)系作為依據(jù),我們可以為金屬材料設(shè)計適當?shù)幕瘜W成分和適宜的加工工藝,從而獲得預期的組織、結(jié)構(gòu)和性能。

在金屬學中,對組織、結(jié)構(gòu)的分析和研究是十分重要的核心問題。

金屬和合金在固態(tài)下通常是晶體。要了解金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu),我們首先必須了解晶體中原子的相互作用和結(jié)合方式,晶體中原子的聚集狀態(tài)和分布規(guī)律,以及各種晶體的特點和彼此之間的差異,等等。這些研究涉及分子生物、固體物理、金屬學、礦物學及聚合物等廣泛領(lǐng)域。我們對晶體結(jié)構(gòu)和晶體生長進行綜合研究,可以獲得控制組分和實際結(jié)構(gòu)的知識,從而可以用各種手段來控制晶態(tài)材質(zhì)的性質(zhì),據(jù)此還能探索具有非常寶貴性質(zhì)的新晶體。事實上,對晶體的綜合研究已經(jīng)使人們制成了并且正在發(fā)展著一大批結(jié)構(gòu)材料及功能材料。

金屬學以金屬電子論、晶體學(見晶體結(jié)構(gòu))及合金熱力學為理論基礎(chǔ),依靠物理、化學的微觀和宏觀檢測技術(shù),擴展了金相學的內(nèi)容,保持應用科學的傳統(tǒng),其研究內(nèi)容可分為兩方面:①聯(lián)系成分、處理過程對金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的影響,研究合金相結(jié)構(gòu)和組織的形成規(guī)律,包括:研究合金相的形成、相圖原理及其測定、合金元素及微量元素在合金相中的分布等合金組成的規(guī)律;研究晶體中原子的擴散過程;晶體重構(gòu)的相變過程,包括金屬的凝固與溫度壓力變化下的固態(tài)相變;研究晶體缺陷和金屬形變過程中的位錯運動;研究成分及雜質(zhì)對金屬性質(zhì)的影響,包括超微量元素,以及微觀和宏觀偏析。②聯(lián)系金屬材料的使用,研究材料結(jié)構(gòu)強度和斷裂行為(見形變和斷裂);研究金屬材料在各種不同使用條件下的特性變化等(范性形變,疲勞,蠕變,應力腐蝕,斷裂和氫脆);研究金屬的強化原理。至于那些雖以金屬為對象,或雖與金屬有關(guān),但主要研究晶體缺陷和金屬電子結(jié)構(gòu),以及它們之間,或它們與各種射線之間的交互作用等微觀過程;研究金屬和合金的物性本質(zhì),或純屬探索自然規(guī)律的領(lǐng)域,則另列入金屬物理,屬凝聚態(tài)或固體物理的分支。

最近20年來,金屬學出現(xiàn)不少新的突破,主要是由于新實驗技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)而取得的。例如,應用電子計算機進行圖象處理,可以明顯地提高電子顯微鏡的分辨能力,能直接看到金屬中單個原子分布的圖象(電子顯微學);分析電子顯微術(shù)和各種表面分析設(shè)備不斷出現(xiàn),將金屬學的發(fā)展引向更加深入。又如應用激冷技術(shù)制成的快冷微晶合金和某些合金體系形成的非晶態(tài)金屬,都各自顯示出特有的性能,有很大的理論意義和實用價值,為金屬學開拓了新園地,也為材料的研究提供了更便捷的手段。

五

高等金屬學在我們現(xiàn)在所研究的“鋁鋅合金的耐腐蝕性”課題中也發(fā)揮著重要的作用。要研究鋁鋅合金的耐蝕性,我們首先必須了解材料的組織和性能,聯(lián)系成分、處理過程對合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響,研究合金相結(jié)構(gòu)和組織的形成規(guī)律,包括:研究合金相的形成、相圖原理及其測定、合金元素及微量元素在合金相中的分布等合金組成的規(guī)律,從而分析它在各種不同使用條件下的特性變化,也即包括材料在不同環(huán)境介質(zhì)中的耐腐蝕性。這些都是高等金屬學要研究的內(nèi)容。隨著材料的不斷發(fā)展,高等金屬學在材料研究領(lǐng)域中必將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻:

[1]盧光熙,侯增壽.金屬學教程.上海:上海科學技術(shù)出版社,1985.

[2]胡賡祥,錢苗根.金屬學.上海:上海科學技術(shù)出版社,1980.

[3]弗豪文著.盧光熙等譯.物理冶金學基礎(chǔ).上海:上海科學技術(shù)出版社,1980.