物理知识系列讲座（三）——物理学与高新技术

1——物理学与航空航天技术

序言

  20世纪以来，物理学的基本概念、基本理论、基本实验手段和研究方法全方位渗透到技术领域，导致了一系列高新技术的产生。高新技术是指基本原理建立在最新科学成就基础上的技术，是位于科学技术最前沿的综合性技术群。

  在讲座中已经讲过，物理学理论的每一次突破都促成了技术领域的革命性变化和发展。牛顿力学和热力学的建立直接促成了以蒸汽动力技术和机械技术为代表的第一次技术革命；电磁学理论的建立导致了以电气技术、无线电通信技术等应用为标志的第二次技术革命；相对论和量子力学的建立以及在此基础上形成的各物理学分支导致了以能源技术、材料技术、信息技术、空间技术、生物技术、海洋技术等高新技术群为代表的第三次技术革命，这次技术革命较前两次技术革命给人类带来的影响更加深远，它正全方位地迅速改变着整个社会的面貌。

  材料、能源和信息技术被并称为现代文明的三大支柱，航空航天技术体现了一个国家的整体科技实力和综合国力。以下将简要介绍物理学原理在这些高新技术领域的应用。

  飞向天空是人类亘古以来的梦想。世界上几乎每个民族都流传着各种飞天的神话和传说。经过数千年的探索和不懈追求，人类终于实现了飞天的梦想。

  航空与航天技术是人类智慧和文明高度发展的结果。航空是指人类在地球大气层内进行的飞行及有关活动，航天是指人类冲出大气层，在几乎没有大气的宇宙空间的航行活动。随着人类飞行范围的不断扩大，近年又产生了“航宇”的概念。航宇是指人造天体冲出太阳系的航行活动，所用飞行器称“航宇器”。除太阳以外，其他恒星距地球太遥远，以每秒十几公里的速度飞行，即使到达最近的恒星（“半人马座α星”）也要上万年时间，当前的科技水平还不能满足航宇的需要。目前，除美国发射了“先驱 者”10号、11号和“旅行者”1号、2号航宇探测器外，其余国家的航宇器还处于研制和构想阶段。即便是飞得最远的人造航天器——1977年9月5日发射的“旅行者”1号飞船，也还要几年的时间才能飞出太阳系。此处，对“航宇”不做进一步介绍。

  航空技术主要研制气球、飞艇、滑翔机、直升机、军用及民用飞机等飞行器即航空器。航天技术主要研制运载火箭、人造卫星、导弹武器、无人及载人飞船、航天站、航天飞机和空间探测器等人造天体即航天器。所有飞行器都必须获得大于自身重力的升力，才能飞上天空，根据获得升力的途径，飞行器大致分为三类：一是基于阿基米德 浮力定律的飞行器，即轻于空气的飞行器，包括热气球、氢气球、氦气球及飞艇等；二是基于动量守恒定律的飞行器，包括火箭、垂直起落的飞机（直升飞机）等；三是基于流体动力学原理的飞行器，即以速度换取升力的飞行器，包括滑翔机、直升机、飞机等。

一、航空器的飞行原理

 b1.热气球、氢气球、氦气球

  热气球由气囊、吊篮和燃烧器等部分组成，氢气球、氦气球没有燃烧器。热空气、氢气和氦气的密度小于大气密度。根据阿基米德定律，将它们充入气囊就可以获得相应的浮力。当浮力大于重力时，气球升空；关闭燃烧器，停止加热，或放掉部分氢气、氦气，使重力大于浮力，则气球降落。1783年9月19日，法国人蒙格尔菲兄弟研制成世界上第一个热气球。1783年10月15日，法国的F.P.罗齐埃和M.达尔朗德乘坐热气球升空，这是在风力作用下的被动飞行，但因为这是人类首次乘坐航空器在空中航行而载入航空史册。由于现代航空技术的发展和现代航空工具应用，各类气球不再扮演交通运输工具的角色，但仍然广泛应用于运动、娱乐、探险及各类商业活动。

  2.飞艇

  飞艇是利用充填到气囊中的氢气、氦气、热空气等气体获得升空浮力，利用装在舱后的发动机和螺旋桨产生前行动力的可操纵的轻于空气的载人飞行器，通常由飞艇囊体、货舱、动力装置和操纵舱4部分组成。

       1852年9月24日，法国人H.吉法尔制成的飞艇是世界上第一个具有主动、持续飞行必备条件的轻于空气的飞行器。经过几十年的发展，到二十世纪二、三十年代，飞艇成为当时最方便、最快捷、最舒适的交通工具而盛极一时。最初的飞艇就是一个流线型气囊，像气球一样，体积不很大，载重只有几吨。后来的飞艇改用金属、木材等制成框架，在外面蒙上织物，舱内置若干个气囊，这样就可以造得很大，载重可达几十吨，航程达几千公里，速度比轮船快几倍，能进行跨洋长途运输等。1937年，当时最先进、最豪华的巨型飞艇“兴登堡”号在美国着火烧毁。充氢气飞艇连续发生了这样的起火事故后，飞艇交通就此一蹶不振，加上飞机技术的快速发展和广泛应用，飞艇便淡出了人们的视野。

  随着航空技术、材料技术的发展以及20世纪60年代开始的世界性石油危机的出现，人们又想起了节省油料、效费比高的飞艇，并纷纷利用新科技研制新型飞艇，使其性能有了质的变化。这种汽艇由不会燃烧和爆炸的氦气或氦气与氢气的混合气体提供升空浮力；采用轻质高强度钛铝合金和压层复合材料制造，使其自重减轻，阻力减小，载重量、续航能力和航程成倍增加；采用倾斜旋翼推进及稳定性增强系统，使航速大为提高；将传统飞艇和飞机（速度快）、直升机（垂直起降）的优点结合起来，建造组合式飞艇，可提供数十倍甚至百倍于常规飞艇的有效载荷能力，航速达200~300km/h，航程上万公里。随着性能的提高，现代飞艇已广泛应用于交通运输、高压线路架设、森林防火监测、大型设备（如石油勘探设备、大型水力发电机组、巨型火箭、反应堆等）整体调运、巡逻救护、空投空降等领域。

  3.滑翔机、滑翔伞

  气球和飞艇的发明初步实现了人类征服天空的理想。为实现“像鸟类那样自由飞翔”的愿望，人们模仿鸟类的外形和飞行动作制造“羽人”和扑翼机，但是近2000年的实践说明“羽人”飞行和扑翼机的扑翼飞行实现不了“自由飞翔”。受风筝和鸟类滑翔的启迪，人们开始尝试用固定翼机构实现飞行。英国的乔治·凯莱爵士（1778-1857）、滑翔鼻祖德国的奥托·李林达尔（1848-1896）、美国航空家夏尼特(1832-1910)、飞机发明者——美国人莱特兄弟（威伯尔·莱特  1867-1912，奥维尔·莱特  1871-1948）等人先后制造了滑翔机，进行了滑翔试验，为航空科学做出了巨大贡献。

  (1). 滑翔机

  滑翔机是能持续飞行的重于空气的航空器，主要由机翼、机身、尾翼、起落装置和操纵系统五大部分组成，一般没有动力装置，升力是靠拱形剖面的机翼产生的。当滑翔机在空气中飞行时，根据相对运动的原理，机翼相对于空气的运动可以看作是空气流过机翼，而机翼不动。如图9-1-1所示，固定机翼是不对称的，上表面是凸的，而下表面比较平，由流体力学原理可以证明，表面空气流速快，压强低，下表面空气流速慢，压强高，上下表面的压强差便产生向上的升力，当升力大于重力时便可升空飞行。飞行速度愈快，产生的升力愈大。无动力滑翔机在外力牵引下达到一定的高度和初速度，然后脱离牵引，靠自身重力获得速度，产生升力，做自由飞行。有动力滑翔机依靠自身动力起飞，到达预定高度或预定区域后关闭发动机进行自由飞行。随着空气动力学研究的进展和材料技术的进步，滑翔机的结构日趋轻巧，性能不断改进，加上滑翔术的提高，飞行直线距离已逾千公里。滑翔机的研制为飞机的发明提供了极为宝贵的经验和理论基础。飞机问世后，滑翔机又被赋予了新的使命：用于航空体育活动即滑翔运动、军事勤务、飞机驾驶员的前期训练以及用作空中科研试验的运载工具。

图9-1-1  机翼剖面图

  (2). 滑翔伞

  滑翔伞是一种全柔性冲压式翼型伞，是降落伞与滑翔翼的结合, 主要由伞衣、伞绳、组带、座袋等部分组成，一般没有动力装置，靠伞衣产生升力。如图9-1-2所示，伞衣由弯长的上翼面和短直的下翼面以及数十个左右肋片隔成一个个气室。伞衣前缘有一定尺寸的进气口（风口），后缘完全封闭，当飞行员在山坡上迎着上升气流跑动或在空中飞行时，空气灌入风口，产生冲压力作用，使伞衣内腔均匀充气并保持一定的刚性，这就形成了类似滑翔机机翼的拱形剖面。空气流经伞衣时，就会产生升力。在滑翔伞的座袋后加一个动力推进器构成动力滑翔伞，这样就可以在平地起飞。作为一项集休闲、冒险和挑战自我于一身的体育运动，滑翔伞飞行正受到越来越多的航空运动爱好者的喜爱。 

图9-1-2  伞衣的解剖图

4.飞机、直升机、旋翼机、垂直起落飞机

  (1). 飞机

  莱特兄弟在他们的第三架滑翔机完全达到可以稳定操纵的要求后，给它安装了一台自制的功率为12马力、重量为47公斤的活塞式汽油发动机，并配上螺旋桨，将其命名为“飞行者1号”。1903年12月17日是一个载入史册的日子，“飞行者1号”成功地完成了人类历史上首次持续且有动力、可操纵、重于空气的载人飞行器的升空飞行，飞行距离260m，留空时间59s，飞机就此诞生了。100年来，飞机的气动外形、动力推进系统、结构材料和控制系统、飞行速度、升空高度、续航能力、机动性等都发生了根本的变化。但是，基本的物理原理未曾改变，即始终要靠机翼产生大于其自身重力的升力，要靠发动机获得大于阻力的推力或拉力，飞机才能升空飞行，如图9-1-3所示。

图9-1-3  飞机飞行原理图

  机翼一般具有图9-1-1所示拱形剖面。飞机起飞、飞行和降落时，机翼相对空气运动，根据流体力学原理，上下翼面的压力差便形成了飞机的升力。根据产生推进动力的原理，飞机的发动机可分为直接反作用力发动机、间接反作用力发动机两类。直接反作用力发动机又叫喷气式发动机（如涡轮喷气发动机、冲压喷气式发动机等），是利用向后喷射高速气流，产生向前的反作用力来推进飞机的。间接反作用力发动机（如活塞式发动机、涡轮螺旋桨发动机等）是由发动机带动具有拱形剖面的螺旋桨旋转将空气向后推动，借其反作用力推动飞机前进的。涡轮风扇发动机既有直接反作用力，也有间接反作用力，但常将其划归直接反作用力发动机一类，所以也称其为涡轮风扇喷气发动机。

  飞机是由动力装置产生前进推力、由固定机翼产生升力、在大气层中飞行的重于空气的飞行器，主要由机翼、机身、动力装置、飞行控制系统、起落装置、机载设备等部分组成，是用途最广、数量最多、对人类社会活动影响最大的航空器。人们对飞行速度、飞行高度、航程、稳定性、操纵性、机动性以及用途特别是军事用途的追求，使飞机的外形、结构、大小千变万化，新型号层出不穷。

         (2). 直升机

   直升机是以动力驱动旋翼旋转产生升力，可以垂直起落的在大气层中飞行的重于空气的航空器，主要有旋翼、机身、发动机、起落装置、控制系统和机载设备等部分组成（图9-1-4）。旋翼产生升力的原理与公元前3世纪中国出现的竹蜻蜓是一致的，但直到1907年才有第一架直升机试飞，到1936年才制成第一架实用型直升机。直升机的发明为何会经历如此漫长而曲折的过程，又为何会晚于飞机，为何直升机在发明30年后才出现实用机型？这是因为3个关键性技术难题的存在：（1）.要产生能提升起直升机重量的升力需要高功质比（功率/质量）的发动机和合理的旋翼翼型；（2）.要使直升机从起飞到降落的全过程相对旋翼轴角动量守恒；（3）要能实现对直升机从起飞到降落的全过程的控制。

图9-1-4 直升机

   在上述技术难题解决后，直升机进入了高速发展时期，20世纪30年代末便达到了实用程度，开始规模生产。20世纪50年代以前的直升机全部以活塞式发动机为动力，旋翼桨叶为金属/木质混合式，机体为由钢管焊接成的桁架式或铝合金半硬壳式结构，装有简易的仪表和电子设备，操纵困难，调节系统复杂，最大平飞速度约200km/h，全机振动大和噪声高。20世纪下半叶，随着空气动力学、结构动力学、材料技术、电子技术等的发展，直升机的性能得以全面提升，用途日趋广泛。现代直升机以第三代涡轴发动机为动力，装有经过优化设计的翼型、桨尖和用先进的复合材料乃至智能材料制作的旋翼桨叶，采用无轴承或弹性铰式等新型桨毂，机体结构大部分或全部使用复合材料，机载电子设备采用数据总线、综合显示和任务管理，配备先进的飞行控制、导航设备等系统，采用电传操纵，最大平飞速度约315km/h，振动和噪声已得到良好的控制。当前的武装直升机集中体现了上述现代技术特点。

   要说明的是，直升机不是飞机，它与飞机有显著区别。直升机没有机翼，靠发动机驱动旋翼旋转产生升力，转速大于某一值后，升力大于重力便可起飞，所以直升机能垂直起降无需跑道和机场，且可在空中悬停、定点转弯；而飞机则靠发动机的拉力或推力向前运动，使固定机翼与空气相对运动产生升力，飞机的前进速度大于某一临界值后，升力大于重力，飞机起飞进入空中飞行，因为临界速度的存在，所以飞机起飞和降落需要很长的跑道，且在空中必须大于临界速度飞行，不能有片刻停留。飞机靠方向舵实现转向，靠升降舵实现升降；而直升机则靠改变旋翼轴的倾斜角度实现转向，靠调节旋翼的转速实现升降。由此看来, 直升机和飞机是两种不同类型的航空器，不能混为一谈。

         (3). 旋翼机

   如图9-1-5所示，旋翼机和直升机极为相似：它们头顶都有一副大直径的旋翼，在飞行中都依靠旋翼的旋转产生升力。但是除去这些表面上的一致性，旋翼机和直升机却是两种完全不同的航空器。 

图9-1-5 旋翼机

  旋翼机实际上是一种介于直升机和飞机之间的飞行器，它除了旋翼外，还带有一副螺旋桨以提供前进的动力，一般也装有较小的固定机翼在飞行中提供部分升力。旋翼机与直升机的最大区别是：旋翼机的旋翼不与发动机传动系统相连，因而不以发动机驱动旋翼来提供升力，升力是在旋翼机前进过程中，由前方气流吹动旋翼旋转产生的，所以它需要滑跑起飞、不能悬停；而直升机的旋翼与发动机传动系统相连，既能产生升力，又能提供飞行的动力。旋翼机的旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩可以忽略，因此旋翼机无需单旋翼直升机那样的尾桨，但是一般装有尾翼，以控制飞行。 在飞行中，旋翼机同直升机最明显的区别为直升机的旋翼面向前倾斜，而旋翼机的旋翼则是向后倾斜的。

  旋翼机旋翼旋转的动力是因前进而获得的，若发动机在空中“停车”，由于惯性，旋翼机会继续前飞，并逐渐减低速度和高度，而高度下降的同时，也就 有了自下而上的相对气流，旋翼就能自转提供升力。这样，旋冀机便可凭飞行员的操纵安全降落。此外， 旋翼机还具有稳定性好、抗风性强、维护简便、性价比高、结构小巧等优点，因而广泛应用于工业、农业、林业、旅游观光、文化体育、行政公务、海岸巡逻及环境监测等方面，美国陆军正在研制低空飞行的无人战斗旋翼机，它的应用领域看来还会进一步扩大。

  (4). 垂直起落飞机

  直升机能够悬停和垂直起降，无需跑道和机场，但飞行速度慢，有效载重小，稳定性和操纵性不好。飞机飞行速度快、载荷大、稳定性和操纵性也好，却不能悬停，需要专用机场和跑道。若将它们结合起来，发挥各自的优势，便能很好地满足军事和民用的要求，这也是直升机和飞机的发展趋势。这种集直升机和飞机功能于一身的航空器既能垂直起落、空中悬停，又有固定机翼能像飞机一样远距离高空快速飞行，所以称之为垂直起落飞机或直升飞机。

   已经问世和正在研制的直升飞机大致有以下几种形式：（1）.倾转旋翼式：机身机翼与普通飞机一样，涡喷螺旋桨发动机置于固定翼两端，起落时发动机垂直向上，螺旋桨用作旋翼产生升力，在空中作直升机模式和飞机模式的相互转换飞行时，旋翼（即螺旋桨）随发动机旋转90°；（2）倾转机翼-旋翼式：可以垂直或超短距起降，飞机作直升机模式和飞机模式的相互转换飞行时，机翼与旋翼一起旋转；（3）复合式：在直升机布局上再加一个固定机翼和专门用于平飞的发动机，飞行速度达到一定值后，旋翼停转并被锁住，成为与机身成90°的一副固定机翼，飞行器以飞机模式飞行。

二、火箭推进原理  宇宙速度

  1.火箭推进原理

        1903年，俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出，可利用火箭向后喷气产生的反作用力运动飞向宇宙，建立了著名的齐奥尔科夫斯基公式，为现代航天技术奠定了理论基础。他本人也因此被誉为“航天之父”。火箭是航天运载工具（用于发射人造地球卫星和航天飞机等），携带有燃烧剂和氧化剂，可以在空气稀薄的高空或外层空间飞行，且由于空气阻力减小，有效推力会更大。根据动量守恒定律，燃料燃烧向后喷出高速气体，火箭就会获得巨大的前进速度。

   为简单起见，考虑火箭在自由空间的飞行，这样就可以不计空气阻力和引力。火箭是变质量系统，自身质量和喷出气体的速度时刻在变，故不能从过程的始末状态来考虑，只能通过元过程来分析。设t时刻火箭（包括火箭体和尚存的燃料等）质量为m，速度为ν。经过时间，火箭喷出的气体质量为（火箭质量是减小的，故为负值），火箭体的速度增大到，质量变为，如图9-1-6。

图9-1-6  火箭推进原理

   若喷出气体相对火箭的速度恒为，根据动量守恒定律，有

上式展开，并略去，即得   

                         （9-1-1）

   设火箭点火时的质量为，速度为，燃料烧完后的质量为，速度为，则（9-1-1）式积分可得

                     即    （9-1-2）

   这就是著名的齐奥尔科夫斯基公式，该式给出了提高火箭速度的方法：(1)加大喷气速度；(2)增大火箭始末质量比。以目前一般火箭能达到的2500m/s左右的喷气速度来说，要使火箭速度达到7.9km/s，则由（9-1-2）式计算所需的质量比为24，即1吨重的火箭必须携带23吨燃料。这在当前技术条件下是实现不了的。若考虑地球引力、空气阻力和各种技术原因，则即使用喷射速度在以上的液氢加液氧做推进剂，单级火箭也不能把航天器送上天。为了使火箭获得高速度，现在采用多级火箭，一级的燃料用完时，壳体自行脱落，随之点燃下一级。这样，火箭最后就能获得很大的速度。以三级火箭为例，第一级的初速度为零，设第一级脱落时速度为，第二级脱落时速度为，最后速度为，三级的质量比分别为，喷出的气体相对火箭体的速度为，则有

   三式相加，则                 （9-1-3）

   因为质量比大于1，故火箭的级数越多，最后获得的速度就越大。对下面一级火箭来说，前面各级都是它的有效载荷。理论计算和实践经验表明，每增加1份有效载荷，火箭就需要增加10份以上的质量来承受它。随着火箭级数的增加，最下面一级和随后几级会变得越来越宠大，以致于无法起飞，所以级数不可能无限制地增加，多级火箭一般不超过4级。实际上，由于空气阻力和地球引力的影响，火箭最后达到的速度比理论计算值要低。

   运载火箭通常为多级火箭，多级火箭是由多个单级火箭组成的飞行整体，其组合方式有3种：串联、并联和混合式，常用的形式是串联和串并联。串联就是将多个火箭通过级间连接/分离机构连成一串，第一子级(多级火箭中上面级火箭就是下面级火箭的有效载荷，不含有效载荷的火箭称为子级火箭)在最底下，先点火，燃料耗尽后通过连接/分离机构被抛弃掉。接着，其上面级火箭依次点火并被依次抛弃，直至有效载荷进入飞行轨道。并联就是将多个火箭并排地连接在一起，周围的子级火箭先点火，燃料耗尽后被依次抛弃，中央的芯级火箭最后点火，以这种方式连接的多级火箭又称为捆绑式火箭。如果芯级火箭本身是串联式多级火箭，这就是串并联式火箭。如我国用于发射载人飞船的长征二号F火箭就是串并联式火箭，由四个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成，全长58.3米，起飞质量479.8吨，运载能力为7.8吨，可以把飞船送入200~400公里的近地轨道。 

  2.宇宙速度

        (1)第一宇宙速度

   在地面上发射航天器，使其绕地球做圆周运动所需的最小发射速度称为第一宇宙速度，即发射人造卫星所需的最小速度。

   当质量为的人造卫星在距地心为的圆轨道上以速度运行时，向心力就是地球对它的引力，即，其中为万有引力常数，为地球质量，由此式可得

                                     （9-1-4）

   故卫星此时的动能，卫星和地球系统的势能。卫星发射时离地面的高度远小于地球半径，所以它和地球系统的势能为。设发射速度为，则初始动能。卫星发射后，它和地球系统的机械能守恒，故有   

                         （9-1-5）

   整理上式可得           

                                     （9-1-6）

   （9-1-6）式说明，卫星升得越高，即越大，所需发射速度也越大。

    与最小发射速度对应的是地球表面附近（大气层外）的轨道，其半径近似于地球半径，故由（9-1-4）式计算的第一宇宙速度为   

                                      （9-1-7）

    根据（9-1-6）式，若发射速度大于7.9km/s，小于11.2km/s，则卫星将继续上升（远离地球运动），增大，而该过程机械能守恒，故其飞行速度会减小，直到万有引力等于向心力，所以第一宇宙速度是人造卫星在地面附近绕地球做圆周运动所必须具有的最低发射速度，也是其在地球表面附近做匀速圆周运动所具有的最大运行速度。

           (2)．第二宇宙速度

   在地面上发射航天器，使之能脱离地球引力场所需的最小发射速度，称为第二宇宙速度。第二宇宙速度对应于航天器逃离地球引力场后速度为零，其与地球系统的引力势能也为零的情况。航天器脱离地球引力场的过程机械能守恒，设相应的发射速度为，则由（9-1-5）式可得，根据此式算得第二宇宙速度为

                                  （9-1-8）

   若要航天器登上月球，或飞向其它行星，或使其成为太阳的行星，则航天器在脱离地球引力场后还必须有一定的速度，故其发射速度必须大于第二宇宙速度。

  (3)。第三宇宙速度

   在地球表面发射航天器，使之不但脱离地球引力场，还要脱离太阳引力场所需的最小发射速度，称为第三宇宙速度。经过分析计算可得到第三宇宙速度为V₃=16.7km/s。速度大于的飞行器能够先摆脱地球引力场，再摆脱太阳引力场，进入茫茫宇宙做恒星际航行，这样的飞行器称为航宇器，所以第三宇宙速度就是发射航宇器的最小速度。

三、航天器的发射与返回

          1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星——人造卫星1号，人类活动开始进入太空。近50年来，航天技术在应用卫星、深空探测及载人航天三大领域快速发展，世界各国先后发射了5000多个航天器。航天器分为无人和载人两大类。无人航天器包括人造地球卫星、空间探测器、无人飞船、航天运载火箭。载人航天器包括载人飞船、航天飞机、空间站。空间探测器分为月球探测器、行星和行星际探测器。载人飞船分为卫星式载人飞船和登月载人飞船。空间站分为轨道站、航天站、太空站。人造地球卫星分为科学实验卫星和应用卫星。科学实验卫星用于对大气层外太空进行科学观测或在大气层外进行各种科学实验，如天文观测（获得地外天体信息，哈勃太空望远镜就是一种重要的天文观测工具）、探测宇宙射线、太空生物实验、太空育种研究等。应用卫星包括通讯卫星（远程无线微波通讯中继站）、军事侦察卫星、气象卫星（定点于赤道上空的地球同步气象卫星和轨道平面方向相对太阳不动的太阳同步气象卫星）、地球资源卫星（地面探测及资源勘探）等。尽管航天器种类繁多，但它们在发射、返回及运行时所遵从的物理原理基本相同。

         1.航天器的发射              

   人造地球卫星、空间探测器、宇宙飞船、空间站等航天器装在运载火箭的末级上，由运载火箭点火发射后送入其运行轨道。运载火箭通常为三级火箭，其发射后的飞行过程大致可分为如图9-1-7所示的三个阶段。

 图9-1-7  卫星发射三个阶段

   垂直起飞阶段  地球表面附近大气稠密，火箭飞行受到很大阻力。为尽快冲出大气层，通常采用垂直向上发射，这样也容易保证飞行的稳定。发射后经短短几分钟的加速，火箭已达相当大的速度，至第一级脱落时，火箭已处于大气层之外了。此后，第二级点火继续加速直至脱落。

   转弯飞行阶段  第二级脱落后，火箭已具有足够大的速度。这时第三级并不立即点火发动，而是靠已获得的巨大速度作惯性飞行继续升高。并在地面控制站的操纵下，使火箭逐渐转弯，偏离原来的竖直方向，直至变为与地面平行的水平方向。

   进入轨道阶段。当火箭到达与航天器预定轨道相切的位置时，第三级点火开始加速，使其达到航天器在轨道上运行所需的速度而进入轨道。进入轨道后，火箭完成运载任务，航天器随即与之脱离而单独运行。刚脱离时，航天器与末级火箭具有相同的速度，并沿同一轨道运动。轨道处仍有稀薄气体，而航天器与火箭的气动外形不同，故两者所受的阻力不同，因而两者的距离会逐渐拉开。

   发射地球同步轨道卫星的技术难度比发射一般卫星大得多。地球同步卫星的轨道平面与地球赤道平面重合，运行周期与地球自转周期严格相等，即。这样，地球与卫星一起每天转一圈，同时在地球公转轨道上转过360°/365，所以在地面上看，地球同步卫星好像是固定在赤道正上方的某点。由圆周运动规律可以计算其高度和运行速度：

                                         （9-12）

   代入数值，解方程可得：，。可见，所有地球同步卫星离地的高度和运行速度都相等。如果发射场建在地球赤道上，那我们只要在赤道上由西向东发射这种卫星，使其达到要求的轨道高度，在适当的位置定点，问题就解决了。可惜的是，许多国家不可能在赤道上建立卫星发射场，使地球同步卫星的发射要经过几次轨道变换才能进入地球同步轨道。

   地球同步卫星的发射过程大致如下：先依次启动运载火箭的第一级和第二级，使火箭加速飞行。第二级脱落后，火箭携带卫星按惯性转弯进入一个距离地球很近的轨道，称为初始轨道或停泊轨道。当卫星到达初始轨道的远地点时，末级火箭点火工作，把卫星加速到一个大椭圆轨道 (转移轨道)上，该椭圆轨道的近地点就是初始轨道的远地点，其远地点与同步轨道相切，高度等于35786km。进入转移轨道后，卫星与末级火箭分离以惯性飞行，并启动两侧的切向喷嘴，使其开始自旋。在绕行过程中，地面控制站对卫星姿态进行调整，当其到达转移轨道的远地点时，卫星上的远地点发动机点火工作，改变航向，使它进入地球赤道平面，同时加速卫星使其达到在同步轨道上运行所需的速度，再进一步调整姿态，将其准确送入赤道上空的同步轨道。 

        2.航天器的返回

   人造地球卫星航天器的返回与发射是一对逆过程。发射过程是航天器从地面经加速穿过大气层而进入其运行轨道的过程；而返回过程则是航天器从运行轨道经减速到达地面的过程。 航天器的返回大致可分为调姿、制动、过渡、再入及着陆五个阶段。

   调姿阶段是指航天器在原运行轨道上调整姿态，形成制动状态。为使航天器能够返回地面，必须改变其速度的大小和方向，使其脱离原来轨道而进入一条与地球稠密大气层相交的过渡轨道。

   制动阶段是指制动发动机点火工作，航天器进入过渡轨道。当航天器到达离轨点时，制动发动机点火工作，发动机火力大小和方向必须精确控制，否则航天器可能进不了大气层，或者进入后因大气过于稠密而产生大量热量使航天器烧毁。

   过渡阶段是指航天器在过渡轨道上基本作无动力惯性飞行，这是进入大气层前的阶段，在这一阶段航天器一般要经过多次轨道修正以便准确地进入再入走廊（航天器进入大气层时的允许轨道范围）。

　　再入阶段是指从进入大气层到距地面10-20公里高度的一段轨道。航天器要经受高温和较大过载的考验。航天器的再入轨道在再入走廊范围内时，就能在地球表面降落并保证过载和气动加热不会超过安全值。当航天器不在再入走廊内返回时，返回过程将失败。

　　着陆阶段是指当返回器降落到10-20公里高度时具有亚音速级的速度，即200米/秒左右，此时应采取进一步的减速措施以使返回器安全地在地面着陆。除航天飞机外绝大多数返回器采用垂直方式着陆，这种方式采用的是降落伞系统，我国的“神舟”系列飞船采用的就是这种方式。

         3.航天飞机

   航天飞机是可以重复使用的、往返于地球表面和近地轨道之间运送人员和货物的飞行器。用运载火箭发射航天器，每次都要消耗一枚巨大的火箭，使得航天活动耗资巨大。为解决这一问题，美国在“阿波罗”登月计划后，就着手研制一种经济的、可以重复使用的航天器——航天飞机。1981年4月12日，世界上第一架航天飞机——“哥伦比亚”号在美国肯尼迪航天中心发射升空。随后10年，美国又制造了4架航天飞机：“挑战者”号、“发现”号、“阿特兰蒂斯”号和“奋进”号。

   航天飞机主要由轨道器、助推火箭和推进剂外贮箱三个主要部分组成。发射时，轨道器的3个主发动机先点火，然后2个助推火箭点火，航天飞机垂直起飞，按预定的飞行程序上升。飞行高度达到45km左右时，助推火箭脱落并靠降落伞悬吊落在海面上，由回收船回收，供下次再用。3台主发动机继续推进轨道器和外贮箱的结合体，当高度约为109km、速度约为7470m/s时，主发动机关机，外贮箱与轨道器分离并在坠入大气层时烧毁。随后，轨道机动系统发动机点火，用小推力把轨道器精确地送入高度在185～1100千米之间的预定近地轨道。轨道器可以完成人造地球卫星、货运飞船、载人飞船甚至小型太空站的许多功能，还可以完成一般航天器所没有的功能，如向近地轨道施放卫星，向高轨道发射卫星，从轨道上捕捉、维修和回收卫星等。返回时轨道机动系统发动机点火，使轨道器减速，脱离卫星轨道再入大气层。进入大气层后按大攻角姿态飞行以增加气动阻力，进行减速和控制气动加热。飞行攻角随飞行速度下降而逐渐减小，最后进入亚音速滑翔飞行状态，在导航系统引导下寻找机场和着陆。着陆速度约为340～365千米/小时，需要的跑道长度为3000米。

   航天飞机由起飞到入轨的上升阶段运用火箭垂直起飞技术，在太空轨道飞行阶段运用航天器技术，在再入大气层的滑翔飞行和水平着陆阶段运用航空飞机技术，为人类自由进出太空提供了很好的工具，是第一次把航天与航空技术高度有机结合起来的创举，是航天史上的一个重要里程碑。

四、航天器的运行  失重现象

         1.航天器的运行

   航天器在轨道上运行时所受地球引力始终指向地心，该力对地心的力矩始终为零。近地轨道处于稀薄大气中，航天器在这些轨道上运行时会受到与运动方向相反的大气的摩擦力作用，此力对地心的力矩不等于零，因而航天器的角动量逐渐减小，最后落回地球。对高轨道航天器，我们忽略其大气阻力和其它天体对它的作用，则其运行过程对地心角动量守恒。若轨道是圆形，则航天器作匀速圆周运动；若轨道是椭圆，则航天器在其远地点时速度最小，从远地点到近地点的运动过程中，速度不断增加，到近地点时速度最大，由近地点到远地点的运动过程中，速度又不断减小。

        2.失重现象

  在轨道上运行的航天器中，人和所有物体都处于失重状态，可以在空中自由漂移，没有上、下之别，人可以在地板上、天花板上、舱壁上行走。为什么会出现这种现象呢？航天器的轨道飞行是围绕天体的惯性飞行。运载火箭在航天器达到第一宇宙速度后与之脱离，由于受到地球引力的作用，航天器的飞行轨迹发生弯曲，而曲线运动会产生离心惯性(俗称离心力)，这个离心力的大小正好与其所受地球引力相等，但方向相反。这两个力相互平衡而抵消，因而在航天器上形成了失重环境。当然，严格地说，只有在航天器的轴线上重力为零，离开轴线，则仍然存在微小重力。所以准确地说，航天器上为微重力环境。这种微重力环境给宇航员的日常生活和工作带来了诸多不便，他们必须经过长期而严格的训练才能适应，而对科学研究来说，这是一个极好的实验场所。

五、空天飞机

   随着空间技术的发展，出现了将航空技术和航天技术有机地结合在一起的航空航天飞机，简称空天飞机，这是一种比航天飞机更先进的航天运载工具。与航天飞机相比，空天飞机具有更多的优点。空天飞机不仅推动效率高、耗油低、载重量大、飞行速度快，而且能够达到完全重复使用和大幅度降低航天运输费用的目的。在航天领域，它比航天飞机发射准备时间短，将载荷送入轨道的费用仅为航天飞机的5~10%，因而具有更高的经济效益；在航空领域，它能象普通飞机一样起飞，以高超音速在大气层内飞行，在30~100公里高空的飞行速度可达音速的12~25倍，并直接加速进入地球轨道。返回大气层后，可象飞机一样在机场着陆，并可自由方便地往返大气层。目前，美、英、法、德等国都在着手空天飞机的研制，不久的将来，它将加入航空航天飞行器的家族，成为天地间往返的运载工具。