前言:想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗?我们特意为您整理了5篇航天技术的核心范文,相信会为您的写作带来帮助,发现更多的写作思路和灵感。
陕西将迎来新一轮发展机遇。航天科技,是世界瞩目的前沿科技。神舟飞船的升空,嫦娥卫星的奔月,航天员的太空漫步,极大地提升了我国的国际地位和综合实力,也揭开了航天技术的神秘面纱。
在欣喜之余,我们高兴地看到,航天科技正改变着我们的生活,许多尖端技术已深入到民用领域,直接服务于国家的经济建设。总部位于西安的中国航天科技集团公司第六研究院,就是立足西部,打造航天产业高地的典范。
航天科技走向国民经济建设主战场
中国航天科技集团公司第六研究院(以下简称航天六院)是我国液体火箭发动机的研制中心和航天液体动力专业研究院,被誉为“中国航天动力之乡”和航天液体动力“国家队”。研究院在确保完成国家重点航天科研生产任务的同时,发挥航天高技术优势,走向国民经济建设的主战场,在振兴我国装备制造业中大展身手。
航天六院下属10个研究所、生产厂,控股上市公司陕西航天动力高科技股份有限公司,形成了完整的液体火箭发动机研究、设计、生产、试验专业分工、密切协作的科研生产体系。拥有液体火箭发动机试车台、泵性能试验室、液体动力技术基础理论研究室、全箭动力系统试验台、液体推进剂研究中心、国家泵工程技术中心、低温技术研究中心、密封件研制中心等国家科研基础设施,形成了以设计及基础理论研究应用、制造及工艺技术、试验及测控技术为代表的军民共用平台。
航天六院坚持“军民结合,寓军于民,协调发展”的方针,以液体火箭发动机的流体技术、燃烧技术、特种泵技术、特种密封技术等特色技术为依托,开发并形成了特种泵阀、热能石化装备、化工生物装备、液体传动、流体计量、印刷包装设备、环境工程、特种化工、氢能源等主导产品,填补了国内空白,服务于国家关键技术装备国产化示范工程,广泛应用于能源、交通、化工、消防、环保、工程机械等领域。
航天六院的技术和产品在国内属领先地位,产品不仅实现了系列化和专业化,而且走上了从设计、制造到系统集成的工程化良性发展之路。特别是他们研制的容积为u01123及110m3以上的立式结晶技术,国内目前尚“无人能及”,近两年随着110m3、178m3、220m3至360m3结晶机的研制成功并交付使用,一次次震惊了国内生物化工界,也确立了他们在本行业的领先地位。产品获得9项国家专利,并获得陕西省国防科技一等奖和科技成果奖。这种技术研发成功,直接推动了我国粮食加工行业的科技进步。航天六院的民用产品开发研制,’在促进科技进步和装备制造业升级换代的同时,也取得了良好的经济效益和社会效益。
坚持创新推动航天技术成果转化
航天六院始终坚持科技创新,加速航天科技成果的转化与应用,在国民经济建设中发挥着高技术领先作用。他们按照“核心企业带动,重点项目引导,关键技术支撑,全院整体推进”的发展思路,将航天技术向民用产业转化,形成了围绕液体技术、热能燃烧技术、光机电一体化技术为主的高新技术产品集群。
通过几年的努力,他们的航天技术应用产业,已初步形成“以航天技术为支撑,以重点项目为基础,以上市公司为龙头,以装备制造业为引导,流体技术和特种技术产品互为补充、互动发展”的产业布局。航天六院发挥燃烧与传热、流体与气动力学、材料与先进制造、低温与真空特种密封技术特色和优势,通过技术转化和延伸,形成了以石油化工、能源交通等高新技术装备为市场牵引的产品体系。重点培养和发展了流体机械、热能工程、光电一体化三大核心产业板块。
航天六院生产的“华宇”消防泵,在借鉴国内外高低压消防泵优点的基础上,重点利用液体火箭发动机的涡轮泵技术,解决了在高转速下常规消防泵难以解决的气蚀和密封问题。最大特点是变流稳压,即泵从零到所需最大流量范围变化时,其扬程变化在5%以内,且小流量或零流量时不超压,确保消防工作的正常进行,大大提高了消防效率和消防人员的安全可靠性。泵上所用驱动电机为普通电机,不需变速,这是我国消防技术的重大突破。他们研制的系列消防泵在国内属首创,其性能在国内居领先水平,填补了国内空白。同时获得实用新型专利,成为新一代消防车的理想产品,被评为国家级重点新产品和国家级火炬计划项目。
2008年北京奥运会举行,其主要场馆“鸟巢”、“水立方”、老山自行车馆等场地的726台套消防泵,就是航天六院生产的。就连丰台垒球场等安装的智能Ic燃气表,也出自航天六院之手。高科技、人性化、洁净方便舒适的奥运环保生态厕所,仍是航天六院研制的。此外,这些产品还应用于北京国际机场新航站楼、中央电视台新址等重点工程项目。
奋力拼搏在市场竞争中抢占先机
石油是工业的血脉,过去我国石油的运输主要靠公路、铁路、航运等方式进行。利用管线运输,可以降低运输成本,实现安全性高、环保作用大、自动化程度高。尤其是长距离管道天然气运输,更是解决了易燃易爆的难题,具有良好的经济效果和社会效益。
过去我国石油运输管线的泵阀主要靠国外进口,而今大规模的石油运输,西气东输,航天六院的核心技术正是适应了这一需求。他们利用自己试验、仿真、计算等独特条件,快速攻克技术难题,开发研制出了输油泵机组。一举打败了由美国、德国、瑞士长期垄断的产品,实现了与中国石化集团的良好合作。航天六院生产这种长输管线输油泵,是工业循环系统中的关键产品,其性能具有自和自动冷却的特点,且不易堵塞。循环效率也从70%提高到80%,节能25%~30%,使用寿命从过去的8年延长到20年左右。
在各国都忙于自救的这一特殊时代,大国的发展战略都在不断调整,其中有两大战略最为显著,一是海洋战略,二是太空战略。在地球陆地资源已经被最大化利用甚至过度承载人类活动的背景下,向其他领域拓展以构建多维生存空间成为必然选择,海洋和外层空间的战略地位日益凸显。
弦外之音甚浓的声明
与海洋战略相比,大国的空间战略更为重要,堪称战略的重中之重,也是世界大国未来的核心竞争领域之一,因为它不仅关系到高端技术创新、产业结构调整、经济可持续发展,更是大国核心竞争力的主要标志,在一国综合国力的计算中几乎可以赋予最大的权重。
因此不难理解,在中国的神九发射前几天,美国宇航局喷气推进实验室对外声明称,1977年发射的“旅行者1号”探测器发回的数据显示,它已抵达太阳系边缘。这个在太空中孤独旅行35年的探测器将有望成为首个脱离太阳系的人造物体。
这一声明的内容其实很简单,而这种声明也是再正常不过的事情,但的时间点的选择却很有意思,偏偏是在临近神九发射的时间窗口。其弦外之音无非是想说,尽管你中国载人航天事业蒸蒸日上,日益兴旺发达,但我美国仍然是最早探索太空的国家之一,目前在太空里飞得最远的探测器也是美国造,美国人仍在航天领域拥有无可挑战的话语权。
循着这一逻辑,我们就不难理解,即使是金融危机的肇始国,即使在金融救助已经花费7000亿美元的背景下,即使在财政赤字居高不下减赤已经成为奥巴马政府最为棘手的难题的时候,美国仍没有忘记在未来五年内对航天领域增加60亿美元支出。
其实,中国在航天领域的探索并非着眼于与其他航天技术发达国家一较高下,而是有着自己的步调与节奏,可谓稳字当头,最明显的是在神一至神七飞船成功发射,完成中国载人航天工程三步走的第一步,即掌握了载人飞行和出舱活动技术后,用了整整三年多的时间来准备第二步的工作,即突破和掌握空间交会对接技术。
但步子一旦迈出,则进展神速,所谓蓄之既久,发之必速。从去年9月29日发射天宫一号开始,到随后的神八以及今年的神九发射,所用时间不到一年。这种速度也许是让领先者感到些许不安的原因。
以务实为目标取向
这种不安还来自美国国内航天策略的变化。美国在小布什执政期间制定的航天发展路线图是在航天飞机时代结束后,通过研制“战神”火箭及“奥赖恩”飞船,实现重返月球及登陆火星甚至更远星际空间的目标。
但金融危机的爆发,这一计划明显受到了资金约束(尽管未来五年的航天支出增加了60亿美元),同时在“战神”火箭的研制过程中碰到了技术瓶颈。因此,奥巴马政府上台之后便改弦更张,实施了新的太空政策,主要内容是研制新型重型运载火箭以替代“战神”,研发新深空飞船及改造“猎户座”飞船,为未来设计载人深空飞行器提供技术支持。
美国航空政策的改变,可以说是从传统的“好高骛远”(一个约定俗成的观念是谁飞得远,谁的技术实力就雄厚,就拥有更大的话语权)回到了地面,开始接上了地气。
这一改变某种程度上还归功于国际政治环境的变化。美国过去航天技术的飞跃,主要源于与前苏联的竞争,而前苏联的解体减少了加码发展航天业的紧迫性。更高更远已经成为一种不具实际意义的衡量标准,相反,考虑太空探索究竟能给人类带来什么好处开始上升到首要地位。
就像奥巴马所说的,美国太空探索的目标不再是“可以到达的目的地”,而是人类在地球以外、更长周期内安全地工作、学习和生活的能力。
崇尚实用主义哲学的美国人,这一次再度找回了美利坚之魂。
与美国人从虚无缥缈的目标返回现实不同,中国发展航天事业,从一开始就注重务实,宇宙飞船方案的选择以及太空探索的目标都体现了这一特点。
以民用航天为例,中国的目标是建立一个包括国家产业基地在内的民用航天产业化集群,以推进航天领域高新技术产业化、规模化发展,并更多、更好地服务于国民经济建设。
中国已经圈定七大战略性新兴产业,而航天产业其实是战略产业中的战略产业,其技术创新的先导性之强、所带动行业之多是其他任何产业所无法替代的。
就航天产业本身而言,包括航天飞行器的研制和发射、地面设备和终端的研制生产、航天飞行器相关的运营与服务等,而航天技术可以带动和促进的产业就更多,包括信息技术、计算机软件、卫星通讯、遥感、测绘、定位导航、农业改良、新能源、空间材料、生物医药等。
【关键词】计算机;人工智能技术;应用
1引言
人工智能技术已经成为目前最受社会关注的新兴科技之一,随着该技术在各行业和领域中的应用不断深入,人们的工作和生活方式不断向智能化方向发展,工作和学习效率都得到了质的飞跃,未来,人工智能技术也必然会获得更加广阔的发展前景。
2人工智能技术概述
人工智能是计算机科学的一个分支,这门学科的主要目标是了解人类智能的本质,并通过将人类智能转移到智能机器中,使智能机器能在不同应用场景下做出类人思维的反应。人工智能是一项综合了多项高新科技的综合性学科,包含5项核心技术,分别是计算机视觉、机器学习、自然语言处理、机器人技术和生物识别技术。其中,机器学习是实现计算机人工智能技术的核心技术,该技术使智能机器在算法复杂度理论、凸分析、统计学等学科的支持下,能自主模拟人类行为。目前已经发表的机器学习策略主要包括模拟人脑的机器学习和采用数学学习方法2种策略。其中模拟人脑的机器学习策略又可细分为符号学习和神经网络学习,符号学习是以认知心理原理为基础,在机器中输入符号数据,用推理过程在图或状态空间中搜索并进行符号的运算,对概念性和规则性知识的学习能力较为突出,如示例学习、记忆学习、演绎学习等;神经网络学习是从微观生理角度对人脑活动进行模拟,利用函数结构模型代替人脑神经网络,以函数结构进行数据运算,并在数据迭代过程中在系数向量空间中搜索,对函数型问题具有较好的学习能力,如拓扑结构学习、修正学习等。采用数学方法的机器学习主要是利用统计机器,建立相应的数学模型,拟定超参数,输入样本数据后根据不同的运算策略对模型进行训练,最后根据训练结果进行结果预测。
3人工智能技术的发展历程
3.1人工智能技术的兴起
虽然新兴技术的兴起获得了广泛的关注,但由于人工智能技术涵盖的学科和技术范围过大,兴起阶段的该技术的理论知识、产品应用、发展应用等均存在明显缺陷。除此之外,计算机技术在当时也并不成熟,当时的计算机编程和计算水平较为落后,很多超前的想法以当时的技术水平来说实现较为困难。在多种因素的影响下,人工智能技术在兴起阶段并未得到快速发展。
3.2人工智能技术的高速发展
人工智能技术这一概念在提出后近20年的时期中其发展始终处于停滞状态,直至20世纪70年代,该领域的专家研发出全新的人工智能专家系统DENDRAL,该系统的诞生带动人工智能技术迈向新的发展阶段,并且在这之后进入高速发展时期。日本始终重视本国科学技术的发展,并且在20世纪80年代提出“科技立国”的政策,此后很长一段时间,日本依托此国策使经济得到迅速恢复和发展。在1982年,日本国内对第五代计算机的研究以失败告终,但此次研究中提出了新的计算机算法和逻辑程序语言Prolog,Prolog在处理自然语言过程中具有比LISP语言更好的应用效果,这一创新进一步促进了人工智能技术的发展。人工智能技术的发展建立在多项先进学科共同发展的基础上,与其他技术相比,人工智能技术在处理数据、整合资源方面具有更大优势。
3.3人工智能技术的发展现状
3.3.1专家系统
专家系统指的是一种智能计算机程序系统,是人工智能技术应用最为广泛也最为重要的领域之一,系统中涵盖大量某领域专家水平的知识与经验,通过应用人类在该领域中的专家级别知识来为用户解决在该领域中遇到的问题。专家系统有效地将人类智能延伸到专业领域中,实现了理论研究向实际应用方向过渡的目标,大幅提高了人类对专业问题的处理效率,并且专家系统依托复杂的算法能对专业问题未来发展的可能性进行更全面的计算,工作效率甚至会比人类专家更高效、更准确。随着对专家系统研究的不断深入,目前很多专家系统都能依据对人类行为的模拟在不同的应用场景中作出智能化的反应和判断,并且能够利用知识库,深入挖掘复杂问题的内在联系。专家系统已经在多个领域中都得到了广泛的应用,帮助企业更客观地摸索市场规律,从而作出正确的生产决策、调度规划、资源配置计划等,大幅提高了企业经营的科学性,使企业能在节省生产成本的同时,获得更好的经济效益。
3.3.2模式识别
模式识别是利用计算机技术将识别对象按一定特征归类为不同类别,目前人工智能技术在模式识别中的主要研究方向包括语音语言信息处理、计算机视觉、脑网络组等,希望通过人工智能技术实现对复杂信息的识别和处理,这一应用能促进多个行业向智能化方向发展,如军事领域、医疗领域等。
3.3.3机器人学
机器人学的主要研究方向是机器人的设计、制造和应用,随着人工智能技术的成熟与应用,机器人的智能水平不断提高,并且在不同行业中的应用已经较为普遍,日常生活中常见的机器人包括扫地机器人、迎宾机器人、快递机器人、早教机器人、无人机等,人们可以利用可移动设备对其进行操作,极大程度地提高了人们生活的智能性和便捷性。
3.3.4机器学习
机器设备并不具备自主思考能力,在不同应用场景下的反应主要是依托计算网络技术和算法对人类思维模式进行模拟,并将人类行为进行充分消化以使自身性能得到优化,能对不同问题进行处理。机器学习是一项涵盖多个学科且复杂程度很高的科学,包含统计学、概率学、算法复杂度理论等,是人工智能的核心技术,也是推动计算机向智能化方向发展的关键技术。
3.3.5人工神经网络
人工神经网络是人工智能技术自进入高速发展时期后广泛研究的重点内容。利用计算机算法将人脑神经元进行简单化、抽象化、模式化,并构建成与人脑神经元网络相似的网络结构。人工神经网络技术的成熟与发展为专家系统、模式识别、机器人学、生物、经济等多个学科的发展提供了技术支持,解决了很多人工智能技术发展中的实际难题。
4人工智能技术的应用
4.1人工智能技术在计算机网络技术中的应用
4.1.1计算机网络安全管理
人工智能技术与计算机网络技术互相依存、互相促进、共同发展,在计算机网络技术的多个方面都有深入的应用。其中,在网络安全管理方面主要有如下应用:①智能防火墙技术。防火墙技术随着计算机的普迅速发展,应用人工智能技术的防火墙技术比传统防火墙技术的性能更加优异。智能防火墙技术具有智能记忆功能,能自动记录并储存历史处理病毒的记录,在后续应用过程中依据记录直接优化计算机匹配环节,减少计算机数据量,提高防火墙的隔离病毒能力。另外,智能防火墙还能结合用户的需求,对用户不需要的弹窗功能、访问权限、有害信息等进行智能化拦截。②计算机入侵检测。防火墙的主要功能就是为计算机设备创造安全的运行环境,保证系统和内部数据不被侵害。计算机入侵检测功能是保障防火墙正常工作的基础功能模块,对提高计算机数据的安全性和可靠性具有直接的影响。应用人工智能技术的入侵检测功能,能对计算机系统进行智能化分析和处理,根据预定算法将处理数据整理成为入侵检测报告,让用户能全面地掌握计算机设备的安全状态。③垃圾邮件智能化处理。该技术依托人工智能技术中的模式识别功能,对接收邮件进行扫描和归类,发现垃圾邮件后直接将其标注为垃圾邮件,为用户发出风险警告,避免用户因误操对计算机系统造成损害。
4.1.2计算机网络管理
人工智能技术的发展和应用促进计算机网络技术向智能化方向发展。在实际应用中,除计算机网络安全管理模块外,还能解决多种网络管理问题。随着计算机技术的普及,网络数据呈爆炸式增长,网络管理工作量和工作难度都达到了空前高度,通过应用人工智能技术,能大幅提高计算机网络管理效率,优化网络管理效能。
4.2人工智能技术在企业管理中的应用
企业是市场经济活动的主要参与主体,是维持市场经济稳定运行和发展的关键要素,在企业生产活动中科学地应用人工智能技术,能有效提高企业的生产能力,促进企业获得更高的经济效益和社会效益。具体应用渠道如机械自动化、智能监控、推荐系统、用户购物行为分析、零售分析、数据提取、文本归类、文章摘要等,从员工工作的细微之处实现工作效率上的提升,进而提升企业整体的运行效率。对工业行业来说,应用机械自动化技术还能有效降低传统工业生产中对人工的依赖性,大幅提高工业企业的生产能力,在行业发展的过程中起到了非常积极的促进作用。
4.3人工智能技术在航空航天技术中的应用
航空航天技术是目前人类最高科技的集合体,涵盖众多学科,如信息技术、卫星技术、生物技术、天文学、生命科学等,对提高国家的国防力量、提高国家的国际地位、促进国家经济增长都具有非常重要的意义。航天器设计是航空航天领域中的关键工作之一,而远程控制又是航空航天技术长久发展以来研究的重点,因我国对该技术的研发起步较晚,我国对航空航天技术的研发存在重重困难,但经过国家和科技工作者的不懈努力,目前我国航空航天技术已处于世界先进水平。将人工智能技术应用于航天远程控制中,利用智能系统对数据进行自动采集、处理和储存,如通过采集航天器的轨道信息,并以此分析航天器的运行状态,根据分析结果制定运行决策,对提高航天器的运行安全性和运行质量都是非常重要的举措,推动国家航空航天事业获得进一步发展。
4.4人工智能技术在医疗领域中的应用
目前,人工智能技术在医疗领域中的应用已经非常广泛,使医护人员的工作内容不断得到优化,提高工作效率,还有效提高了国家医疗水平。具体应用包括以下几项内容:①在电子病历中的应用。传统就医诊断环节,医生都需要以手写方式记录病患病例,并根据病例详细列出治疗方案,工作量大,且效率较低,病例保存便捷性较差。通过应用电子病例,不仅能大幅减少病例记录的工作量,还能在医疗系统中直接勾选治疗所需药品,完成病例及用药的勾选后打印即可,既能大幅提高工作效率,还能将病例在计算机中进行储存,且现阶段病例文件的储存格式不再局限于文字,语音和图像也可被添加到病例中,提高医疗诊断的准确性。②在健康管理中的应用。在现代医疗中应用人工智能技术,对病患的病情进行智能化分析,能使医生对疑难病症的分析更加全面准确,制定针对性更强的医疗方案,提高医疗水平,为改善患者的健康状况提供辅助。
5结语
综上所述,计算机人工智能技术的应用,对社会各行业都产生了不同程度的影响,人们的工作和生活方式得到优化和改变,国家科技水平也不断提升。加强对计算机人工智能技术的研究,推动人工智能技术在各个行业中的应用,让人们能切身感受到科技为生活带来的改变,对促进人类社会的发展具有非常重要的意义。
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“倒计时,10、9、8……3、2、1,点火!起飞!”伴随着巨大的轰鸣声,搭载神舟十一号载人飞船的二号F 遥十一运载火箭,在酒泉卫星发射中心点火发射,约575秒后神舟十一号载人飞船与火箭成功分离,进入预定轨道,顺利将景海鹏、陈冬2名航天员送入太空,发射取得圆满成功。这是我国组织实施的第六次载人航天飞行。
从无到有、从弱到强,中国载人航天事业不断取得新突破。中国进行载人航天研究的历史可以追溯到20世纪70年代初,在中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”上天之后。当时的国防部五院院长钱学森就提出,中国要搞载人航天。国家当时将这个项目命名为“714工程”,并将飞船命名为“曙光一号”。进入80年代后,中国的空间技术取得了长足的发展,具备了返回式卫星、气象卫星、资源卫星、通信卫星等各种应用卫星的研制和发射能力。特别是1975年,中国成功发射并回收了第一颗返回式卫星,使中国成为世界上继美国和苏联之后第三个掌握了卫星回收技术的国家,这为中国开展载人航天技术研究打下了坚实的基础。
1986年3月3日,王淦昌、陈芳允、杨嘉墀、王大珩四位科学家联名向中央呈报了一份《关于跟踪世界战略性高技术发展》的建议。中央很快就批准了这个建议,这就是后来著名的“863”计划。“863”计划对中国载人航天工程起到了催生的作用。1992年1月,中国政府批准载人航天工程正式上马,并命名为“921”工程。在“921”工程的七大系统中,核心是载人飞船。1992年9月,中央决策实施载人航天工程并确定了我国载人航天“三步走”的发展战略:第一步,发射载人飞船;第二步,发射空间实验室;第三步,建造空间站。从1999年以来,中国载人航天工程共进行了11次飞行任务,先后实现了从无人飞行到载人飞行,从一人一天到多人多天,从舱内实验到出舱活动,从单个飞行器飞行到两个航天器交会对接等一系列重大突破,取得了圆满成功。
从神舟一号到神舟十一号,中国载人航天事业稳步前行。从1992年启动载人航天工程以来,中国航天事业不断取得新突破,成为世界上第三个独立掌握载人航天技术、独立开展空间实验、独立进行出舱活动的国家。神舟一号――实现天地往返重大突破。1999年11月20日,我国第一艘无人试验飞船“神舟一号”在酒泉卫星发射中心顺利升空,经过21个小时的飞行后顺利返回地面。“神舟一号”试验飞船的成功发射与回收,标志着中国载人航天技术获得了新的重大突破,是中国航天史上的一座里程碑。神舟二号――中国第一艘正样无人飞船。“神舟二号”是我国第一艘正样无人飞船,技术状态与载人飞船基本一致,它的成功发射标志着我国载人航天事业取得了新进展,向实现载人飞行迈出了重要一步。神舟三号――载人航天安全性提高。与“神舟二号”相比,“神舟三号”飞船在运载火箭、飞船和发射测控系统上,采用了许多新的先进技术,进一步提高了载人航天的安全性和可靠性。这次发射成功标志着我国载人航天工程取得了新的重要进展,为把中国的航天员送上太空打下了坚实的基础。神舟四号――突破中国低温发射的历史纪录。“神舟四号”的配置、功能及技术状态与载人飞船基本相同。神舟五号――成功实施首次载人航天飞行。2003年10月15日,我国第一艘载人飞船“神舟五号”成功发射。中国首位航天员杨利伟成为浩瀚太空的第一位中国访客。“神舟五号”21小时23分钟的太空行程,标志着中国已成为世界上继俄罗斯和美国之后,第三个能够独立开展载人航天活动的国家。神舟六号――成功实现多人多天飞行。2005年10月12日,“神舟六号”成功发射,航天员费俊龙、聂海胜被顺利送往太空。“神舟六号”进行了我国载人航天工程的首次多人多天飞行试验,完成了我国真正意义上有人参与的空间科学实验。“神舟五号”和“神舟六号”飞行任务的圆满成功,标志着我国实现了载人航天工程“三步走”发展战略的第一步任务目标。神舟七号――航天员出舱在太空行走。2008年9月25日,“神舟七号”成功发射,航天员翟志刚出舱作业,刘伯明在轨道舱内协助,实现了中国历史上第一次太空漫步,中国成为第三个有能力把太空人送上太空并进行太空漫步的国家。神舟八号――与“天宫一号”实现对接。2011年11月1日,无人飞船“神舟八号”发射升空。升空后2天,“神舟八号”与此前发射的“天宫一号”目标飞行器进行了空间交会对接。组合体运行12天后,“神舟八号”飞船脱离“天宫一号”并再次与之进行交会对接试验,这标志着我国已经成功突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技术。神舟九号――实现“天宫一号”与神九载人交会对接。2012年6月16日,“神舟九号”发射升空,共搭载三名航天员――景海鹏、刘旺、刘洋。刘洋也成为中国第一个飞向太空的女性。飞船于2012年6月18日11时左右转入自主控制飞行,14时左右与“天宫一号”实施自动交会对接。这是中国实施的首次载人空间交会对接,也是在2020年前后建立空间站计划的重要一步。神舟十号――中国载人天地往返运输系统首次应用性飞行。2013年6月11日,“神舟十号”载人飞船将三名航天员――聂海胜、张晓光、王亚平送入太空。“神舟十号”是中国载人天地往返运输系统的首次应用性飞行。它的成功发射标志着中国已经拥有了一个可以实际应用的天地往返运输系统,中国人向着熟悉太空、利用太空、享受太空的梦想又迈进了一大步。神舟十一号――中国持续时间最长的一次载人飞行。2016年10月17日,搭载两名航天员――景海鹏和陈冬的“神舟十一号”成功发射。“神舟十一号”是中国载人航天工程“三步走”中从第二步到第三步的一个过渡,为中国建造载人空间站作准备。
【关键词】第三宇宙速度;新理念;推导;新数据;航天器;应用
辞海上关于第三宇宙速度是这样定义的:脱离太阳系飞向星际空间必须具有的速度是16.7km/s,称为“第三宇宙速度”。剖析它的含义就是说从地球上发射一枚飞船 ,要使它先脱离地球的引力 ,其后再脱离太阳引力所需要的 ,不考虑空气阻力等影响情形下 ,理论上的最低速率。根据这一理念,现行的教材上,在推导第三宇宙速度时只考虑了飞船,地球和太阳三个对象,得到的第三宇宙速度是16.7km/s。从地球起飞的航天器飞行速度达到16.7千米/秒时,就可以摆脱太阳引力的束缚,脱离太阳系进入更广袤的宇宙空间。这个从地球起飞脱离太阳系的最低飞行速度就是第三宇宙速度。在教学中我们常提到第一宇宙速度与第二宇宙速度的推导,而很少提到对第三宇宙速度的推导,甚至从教这么多年也没认真思考过这样的问题,现用一种方法将推导过程叙述如下:
从第二宇宙速度的推导出发,假设在地球上将一颗质量为m的卫星发射到绕太阳运动的轨道需要的最小发射速度为V;此时卫星绕太阳运动可认为是不受地球引力,距离地球无穷远;认为无穷远处是引力势能0势面,并且发射速度是最小速度,则卫星刚好可以到达无穷远处。
由动能定理得: (mv^2)/2-GMm/r^2*dr =0
由微积分dr=r得
解得V=√(2GM/r)
这个值正好是第一宇宙速度的√2倍。物体要进一步挣脱太阳的引力束缚,飞到太阳系以外的宇宙空间去所必须具有的最小速度,叫第三宇宙速度,也叫逃逸速度.根据推导第二宇宙速度的道理可知,物体为了挣脱太阳的引力飞出太阳系,就必须具有速度v′=,式中M日=2×1030 kg,R日地=1.49×1011 m,所以v′=42.2 km/s ,物体是由地面出发的,地球围绕太阳公转的线速度v线=29.8 km/s,如果物体顺着地球运动的轨道切向飞出的话,便可借助于地球的公转线速度,因而只需Δv=v′-v线=42.2-29.8=12.4 km/s就行了。但是,设飞船作为质点,并设它是以第三宇宙速度发射出,则其动能为:1/2mv^2,这个动能应包含两部分,即脱离地球引力所需的动能和脱离太阳系引力所需的动能。物体要飞出太阳系,需要克服太阳系的引力,首先要挣脱地球引力的束缚才行。故物体在地面上应该具有的动能为 mv32= mv22+ m(Δv)2,故v3=16.7 km/s。
以上推导第三宇宙速度的值过于理想化,事实上第三宇宙速度的值是多样化的,中学教材的16.7km/s并不是唯一值,也不是最佳速值,在不同的理念和方案下,第三宇宙速度的值存在很多可能性。从第三宇宙速度的定义出发,引入一种新的理念,导出第三宇宙速度的新数值,得到了不同的第三宇宙速度。在这些第三宇宙速度的新值中,有比16.7km/s还要小的值,也有比16.7km/s大的值。说明目前我们还没有找到计算第三宇宙速度的一个最佳方案,现在普遍认为的第三宇宙速度16.7km/s显然是有待进一步讨论和修改的。
下面再浅谈一下宇宙速度在航天事业上的应用,第三宇宙速度是从地球表面发射航天器(航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器),飞出太阳系,到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度,是作为摆脱太阳系引力场束缚而飞往恒星际空间的恒星际飞行器所必须具有的速度。其运行轨道为双曲线,所以也称双曲线速度。宇宙速度的数值与所发射的人造天体入轨点离地面的高度有关。当离地面高度为零而又不计空气阻力时,第三宇宙速度为每秒16.7千米。其实当物体在达到11.2千米/秒的运动速度时就能摆脱地球引力的束缚。在摆脱地球束缚的过程中,在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球,而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系,物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球,而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。然而,人类的航天活动,并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器,需要绕地球飞行,即让航天器作圆周运动。众所周知,必须始终有一个力作用在航天器上。其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径,即F=mv^2/R。在这里,正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力,正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。那么,如何才能使要发射的航天器达到所需要的宇宙速度呢?必须要用运载火箭。火箭是人类冲破地球引力飞向太空的工具。火箭里装着不用空气就能点燃的燃料。燃料燃烧时喷出气体,气体的反作用力可以使火箭向前推进。火箭是在飞行过程中不断加速的,所以加速度不过大,可以保证人和仪器的安全。这种用燃料作动力的火箭,在没有空气的宇宙空间也能飞行。运载航天器的火箭应是多级火箭。多级火箭一般由三级组成。三级火箭在燃完燃料后脱落,接着下一级火箭点燃。这样,火箭就可以不停地加速前进,把航天器送入预定轨道。
随着我国“神舟六号”载人航天飞行的成功发射,越来越多的人们对航天技术产生了浓厚的兴趣。航天技术是二十世纪五十年代快速发展起来的研究和开发、利用太空的高新技术。航天技术的核心是各种航天飞行器的设计、制造、发射和应用。而讨论上述各种航天飞行器发射过程中普遍涉及的一个重要的物理内容——就是宇宙速度及其计算。
本文就第三宇宙速度的推导及误差分析和在了解了宇宙速度后在航天上的应用发表了一点自己的体会。其实还有一个目的是希望在注重素质教育的今天,本文能对学生的探究及分析问题能力的培养有点启发。教学的重点,是如何去提高学生的创新能力,培养和提高学生各种能力的同时,让学生学会深入地去挖掘,对学生来讲能提高自己的分析能力和解题能力,使学生能积极参与教师的教学活动,从而提高学生的学习主动性和积极性,有利于学生创造性的发挥和施展,培养深入分析和解决问题的能力。
参考文献:
[1] 俞达仁.杭州师范大学学报(自然科学版).《第三宇宙速度新数值导出》