航天領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)手冊(cè)一、引言：航天的定義與范疇航天，通常指人類探索、開發(fā)和利用地球大氣層以外宇宙空間的活動(dòng)。它與“航空”的主要區(qū)別在于活動(dòng)區(qū)域：航空一般指在大氣層內(nèi)的飛行活動(dòng)，而航天的舞臺(tái)則是廣袤的太空。這一領(lǐng)域不僅包含航天器的設(shè)計(jì)、制造與發(fā)射，還涵蓋了對(duì)天體和宇宙環(huán)境的探測(cè)、研究，以及利用太空資源為人類服務(wù)等多個(gè)方面。航天活動(dòng)的開展，依賴于多學(xué)科的深度融合與尖端技術(shù)的集成應(yīng)用，是衡量一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力與綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一。二、航天的理論基礎(chǔ)（一）萬(wàn)有引力定律與天體力學(xué)牛頓的萬(wàn)有引力定律是航天理論的基石。它揭示了宇宙中任何兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)都存在相互吸引的力，其大小與兩質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量的乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。正是這種引力，使得月球圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。天體力學(xué)則是在萬(wàn)有引力定律基礎(chǔ)上，研究天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，為航天器軌道設(shè)計(jì)、星際航行等提供了理論依據(jù)。（二）三大宇宙速度要實(shí)現(xiàn)航天飛行，航天器必須達(dá)到特定的初始速度，即所謂的“宇宙速度”。*第一宇宙速度：指航天器能夠克服地球引力，環(huán)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的最小速度。達(dá)到這一速度，航天器便不會(huì)因地球引力而墜回地面。*第二宇宙速度：航天器脫離地球引力場(chǎng)，成為圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的人造行星或飛向其他行星所需的最小速度。達(dá)到此速度，航天器將擺脫地球的束縛。*第三宇宙速度：航天器脫離太陽(yáng)引力場(chǎng)，飛出太陽(yáng)系所需的最小速度。這一速度為人類探索更遠(yuǎn)的星際空間提供了可能。（三）開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律開普勒通過對(duì)天體觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律，同樣適用于人造地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)：*軌道定律：所有行星（或衛(wèi)星）的軌道都是橢圓，太陽(yáng)（或行星）位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。*面積定律：行星（或衛(wèi)星）與太陽(yáng)（或行星）的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。*周期定律：行星（或衛(wèi)星）繞太陽(yáng)（或行星）公轉(zhuǎn)周期的平方與它們軌道半長(zhǎng)軸的立方成正比。三、航天器（一）航天器的分類航天器種類繁多，按其任務(wù)和功能可大致分為：*無(wú)人航天器：如科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星等。它們無(wú)需載人，通過預(yù)先設(shè)定的程序或地面指令執(zhí)行特定任務(wù)。*載人航天器：如載人飛船、空間站、航天飛機(jī)（已退役）、空天飛機(jī)（在研）等。這類航天器支持人類在太空中生活和工作。（二）航天器的基本構(gòu)成盡管不同航天器的任務(wù)各異，但其基本構(gòu)成通常包括以下幾個(gè)主要系統(tǒng)：*結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：為航天器提供支撐框架，承受發(fā)射和在軌運(yùn)行時(shí)的各種載荷，并保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。*推進(jìn)系統(tǒng)：提供航天器軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)調(diào)整、軌道維持以及返回大氣層所需的動(dòng)力。通常包括主發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)。*電源系統(tǒng)：為航天器所有電子設(shè)備和儀器提供電能。常見的有太陽(yáng)能電池陣結(jié)合蓄電池、核電源等。*姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)：控制航天器的飛行姿態(tài)（如指向精度）和軌道位置，確保其按預(yù)定軌道運(yùn)行并完成任務(wù)。*測(cè)控與通信系統(tǒng)：負(fù)責(zé)與地面測(cè)控站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令接收，包括遙測(cè)、遙控和跟蹤功能。*熱控系統(tǒng)：維持航天器各部件在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，應(yīng)對(duì)太空中極端的溫差環(huán)境。*有效載荷：航天器執(zhí)行特定任務(wù)的核心設(shè)備，如通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器、遙感衛(wèi)星的成像相機(jī)、科學(xué)衛(wèi)星的探測(cè)儀器等。*數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：對(duì)航天器的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸，協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)工作。四、運(yùn)載火箭（一）火箭的基本原理運(yùn)載火箭是將航天器送入預(yù)定軌道的運(yùn)載工具，其工作原理基于牛頓第三定律——作用力與反作用力?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)通過燃燒推進(jìn)劑，高速噴射燃?xì)猓瑥亩@得向前的推力。（二）火箭的結(jié)構(gòu)與組成運(yùn)載火箭通常由多級(jí)火箭串聯(lián)或并聯(lián)組成，以達(dá)到所需的運(yùn)載能力和速度。其主要組成部分包括：*箭體結(jié)構(gòu)：連接各級(jí)火箭、安裝發(fā)動(dòng)機(jī)和有效載荷，承受飛行中的各種載荷。*推進(jìn)系統(tǒng)：包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑貯箱。發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭的動(dòng)力源，推進(jìn)劑則是能量的載體，常見的有液體推進(jìn)劑（如液氧煤油、液氫液氧）和固體推進(jìn)劑。*控制系統(tǒng)：控制火箭的飛行軌跡、姿態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)序，確保將有效載荷準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道。包括制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)。*遙測(cè)系統(tǒng)：測(cè)量火箭飛行中的各種參數(shù)，并將其傳送給地面測(cè)控站，用于監(jiān)測(cè)火箭狀態(tài)。*外測(cè)系統(tǒng)：配合地面測(cè)控設(shè)備，提供火箭的位置、速度等信息。*安全系統(tǒng)：在火箭出現(xiàn)故障危及地面安全或任務(wù)失敗時(shí)，按指令銷毀火箭。*有效載荷整流罩：保護(hù)航天器在大氣層內(nèi)飛行時(shí)免受氣動(dòng)加熱和氣流沖刷。（三）多級(jí)火箭的概念單級(jí)火箭通常難以達(dá)到第一宇宙速度，因此現(xiàn)代運(yùn)載火箭多采用多級(jí)設(shè)計(jì)。每一級(jí)火箭都有自己的發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑。當(dāng)一級(jí)火箭的推進(jìn)劑耗盡后，其箭體便會(huì)被拋棄，以減輕后續(xù)飛行的質(zhì)量，提高整體效率。五、航天地面系統(tǒng)（一）發(fā)射場(chǎng)發(fā)射場(chǎng)是進(jìn)行運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備和實(shí)施發(fā)射的場(chǎng)所。它通常包括技術(shù)區(qū)（用于火箭和航天器的組裝、測(cè)試）、發(fā)射區(qū)（用于火箭的起豎、加注推進(jìn)劑和發(fā)射）、測(cè)控通信區(qū)以及相關(guān)的勤務(wù)保障設(shè)施。發(fā)射場(chǎng)的選址需綜合考慮地理位置（如緯度、氣候條件、周邊安全）等多種因素。（二）測(cè)控網(wǎng)航天測(cè)控網(wǎng)是對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤測(cè)量、監(jiān)視控制和信息交換的專用網(wǎng)絡(luò)。它由分布在全球各地（或近地軌道、地球同步軌道）的測(cè)控站、測(cè)量船、測(cè)量飛機(jī)以及數(shù)據(jù)處理中心組成。其主要任務(wù)包括：對(duì)航天器進(jìn)行軌道測(cè)量和跟蹤；接收航天器的遙測(cè)數(shù)據(jù)；向航天器發(fā)送遙控指令；進(jìn)行天地話音通信等?，F(xiàn)代測(cè)控網(wǎng)正朝著綜合化、自動(dòng)化和天基測(cè)控方向發(fā)展。（三）指揮控制中心負(fù)責(zé)航天任務(wù)的組織指揮、飛行控制和數(shù)據(jù)處理。在這里，技術(shù)人員對(duì)航天器的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析處理各種數(shù)據(jù)，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)做出決策和干預(yù)。六、軌道與軌道力學(xué)（一）軌道參數(shù)描述航天器在太空中運(yùn)行軌跡的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。常用的軌道參數(shù)包括軌道傾角、近地點(diǎn)高度、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度、軌道周期等。這些參數(shù)決定了軌道的形狀、大小和空間指向。（二）常見軌道類型*低地球軌道（LEO）：距離地球表面較近，一般在數(shù)百公里至一千多公里。空間站、多數(shù)遙感衛(wèi)星和載人飛船多運(yùn)行在此類軌道。*中地球軌道（MEO）：高度介于低地球軌道和地球靜止軌道之間，常用于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。*地球靜止軌道（GEO）：軌道高度約為三萬(wàn)六千公里，軌道傾角為零度。航天器在此軌道運(yùn)行的周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，從地面上看，仿佛靜止不動(dòng)。通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星常采用此類軌道。*太陽(yáng)同步軌道（SSO）：一種特殊的近地逆行軌道，其軌道平面繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向和周期與地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的方向和周期接近。這類軌道上的衛(wèi)星經(jīng)過同一緯度地區(qū)時(shí)，當(dāng)?shù)氐奶?yáng)光照條件基本相同，有利于遙感衛(wèi)星獲取穩(wěn)定的圖像數(shù)據(jù)。（三）軌道機(jī)動(dòng)與軌道維持航天器入軌后，有時(shí)需要進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)以調(diào)整到目標(biāo)軌道或規(guī)避空間碎片。在軌運(yùn)行期間，由于地球引力場(chǎng)不均勻、大氣阻力（對(duì)于低軌道航天器）等因素的影響，航天器的軌道會(huì)逐漸發(fā)生偏離，因此需要定期進(jìn)行軌道維持，消耗少量推進(jìn)劑以保持預(yù)定軌道參數(shù)。七、航天安全與可靠性航天活動(dòng)具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)安全性和可靠性有著極高的要求。從航天器和運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試，到發(fā)射、在軌運(yùn)行和返回（如適用），每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?？臻g環(huán)境（如輻射、微流星體、空間碎片）也對(duì)航天