航天基礎知識問答(航天基本知識題)
大爆炸理論
理論內容
相信很多人都看過一部美劇，叫做《theBigBangTheory》（生活大爆炸）。事實上，生活大爆炸理論的英文名稱是BigBangTheory。
大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學中最有影響力的理論。其主要思想是宇宙曾經有過從熱到冷的演化歷史。在大爆炸之前，物質只能以基本粒子的形式存在，如中子、質子、電子、光子和中微子。大爆炸后，宇宙繼續(xù)膨脹，導致溫度和密度迅速下降。隨著宇宙逐漸冷卻、溫度降低，這些非常小的基本粒子逐漸形成原子、原子核、分子和化合物，成為普通氣體。氣體逐漸凝結成星云，進一步形成了各種恒星和星系，最終形成了我們今天看到的宇宙。大爆炸并不是真正的爆炸，而是因為在這個過程中，宇宙系統(tǒng)不斷膨脹，導致物質的密度從稠密演化到稀薄，就像一次巨大的爆炸一樣。
理論提出
大爆炸假說最早由比利時天文學家、宇宙學家勒梅特·喬治于1927年提出。1929年，哈勃根據紅移現(xiàn)象提出了哈勃定律。什么是紅移？當我們安靜地聽火車呼嘯而過時，我們會發(fā)現(xiàn)火車離我們越近，發(fā)出的聲音就越尖利，因為聲音的波長越來越短；離我們越遠，聲音就越大，因為聲音的波長變得更長。這種現(xiàn)象就是多普勒效應。光和聲音一樣，也是一種波，也具有多普勒效應：當遙遠的星系遠離我們地球所在的銀河系時，星系發(fā)出的光譜會向長波端移動（即紅光）。end），這就是所謂的紅移。哈勃隨后根據星系相互遠離的紅移現(xiàn)象，得出了宇宙膨脹的假說。
隨后在1946年，美國物理學家喬治·伽莫夫正式提出了大爆炸理論，認為宇宙是由大約140億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的。上世紀末，對超新星的觀測表明，宇宙的膨脹正在加速，因為宇宙可能主要由暗能量組成。暗能量是一種驅動宇宙運動的能量。它和暗物質都不能輻射、反射或吸收光，因此我們人類無法利用現(xiàn)有技術直接觀察它。
空間概念
人類的飛行活動一般分為三個階段，即航空、航天、航天。航空是指在大氣層內的活動（如飛機），航天是指飛出地球大氣層并在太陽系內的活動（如人造衛(wèi)星），航天是指飛出太陽系并在太陽系內航行。浩瀚的宇宙。如今，航空航天一般是指在地球大氣層以外的太空進行航行活動的載人或無人航天器的總稱。它也稱為太空飛行或太空導航。航天活動的目的是探索、開發(fā)和利用空間和天體，為人類服務。
軌道的基本概念
汽車有自己的運行軌道（道路），火車有自己的運行軌道（鐵路），航天器也有自己的運行軌道。只不過汽車的軌道是物理客觀存在的，需要構建，而航天器的軌道沒有物理物體，與飛機的航線類似。航天器必須遵循預定軌道，以確保其正確到達目的地。航天器軌道是航天器的運動軌跡，包括發(fā)射軌道、運行軌道、返回軌道等。軌道只是一個大家容易理解的形象。它是航天器在發(fā)射階段、運動階段和返回地球期間的軌跡。
發(fā)射軌道
從運載火箭點火起飛到航天器進入預定軌道的飛行路徑稱為發(fā)射軌道。運載火箭的發(fā)射軌道包括垂直起飛段、程序轉彎段和入軌段。
運載火箭首先垂直起飛（垂直起飛段）。運載火箭離開發(fā)射臺一段時間后，火箭開始按預定程序轉向，沿發(fā)射方向飛行（程序轉向段）。當接近衛(wèi)星軌道時進入衛(wèi)星軌道。在軌道點，火箭執(zhí)行最后的水平加速。達到入軌速度后，運載火箭與航天器分離，將衛(wèi)星送入軌道（入軌段）。
垂直起飛段和程序轉彎段兩級類似，但入軌段根據軌道高度不同分為直接入軌、滑行入軌和過渡轉入軌三種方式。軌道。低軌衛(wèi)星一般采用直接入軌方式，即火箭連續(xù)工作。當最后一級火箭發(fā)動機關閉后，衛(wèi)星即可進入預定軌道。中高軌衛(wèi)星一般選擇滑翔入軌。
軌道
軌道是指人造地球衛(wèi)星從末級火箭推力結束到人造衛(wèi)星墜落（或返回地面）的運動軌跡。
衛(wèi)星的軌道是橢圓形的（我們稱之為開普勒橢圓軌道），地球位于橢圓的焦點之一。衛(wèi)星距離地球最近的點稱為近地點，此時衛(wèi)星的速度最高；衛(wèi)星距地球最遠的點稱為遠地點，此時衛(wèi)星的速度最低。遠地點和近地點都位于橢圓軌道的長軸上。
根據離地高度，人造地球衛(wèi)星軌道可分為低軌道、中軌道和高軌道三種；按飛行方向可分為順行軌道（與地球自轉方向相同）和逆行軌道（與地球自轉方向相反）。）、赤道軌道（在赤道上方繞地球飛行）和極軌道（經過地球南北兩極）。
返回軌道
有些航天器，如返回式衛(wèi)星、航天飛機、載人航天器等，在完成任務后需要返回地球。從離開軌道到著陸地面的飛行路徑稱為航天器的返回軌道。形象地說，設計返回軌道就像為飛船返回鋪平了一條安全道路，幫助飛船穿過地獄之門，安全降落在地面上。
根據航天器在返回軌道上所受到的阻力和升力，其返回軌道可分為半彈道、滑翔（升力）和彈道三種類型。
（1）半彈道返回軌道：航天器在重新進入大氣層的過程中，不僅會遇到阻力，還會產生部分升力。只要控制得當，就可以控制升力的方向，從而在小范圍內改變航天器的飛行軌跡。適當調整著陸點的距離可以使著陸點更加準確。前蘇聯(lián)的聯(lián)盟號飛船和美國的雙子座飛船都采用了這種返回軌道。
(2)滑翔(升力式)返軌：對于具有較大機翼的航天器，如航天飛機，重新進入大氣層后，機翼會產生較大的升力，因此可以精確調節(jié)縱向和橫向距離。降落在跑道上。
(3)彈道返回軌道：航天器重新進入大氣層后，只受到阻力，不產生升力。因此，它的行駛速度非?？?。著陸點無法調整或控制，因此存在較大偏差。美國、蘇聯(lián)早期的航天器以及我國的返回衛(wèi)星都采用了這種返回軌道。
地球靜止軌道
傾角為零的圓形地球同步軌道稱為地球靜止軌道，因為在該軌道上運行的衛(wèi)星始終位于赤道上方的某個位置，并且相對于地球表面靜止。在地球靜止軌道上運行的衛(wèi)星距地球赤道地面的高度為35,786公里。對地靜止軌道是地球同步軌道的一種特例，只有一個軌道。許多人造衛(wèi)星，特別是通信衛(wèi)星，大多使用地球靜止軌道。
太陽同步軌道
太陽同步軌道是指軌道面與太陽始終保持相對固定的方向。其軌道傾角（軌道面與赤道面的夾角）接近90度。在該軌道上運行的衛(wèi)星必須經過兩極附近，因此也稱為近極太陽同步衛(wèi)星軌道。
極軌道
極軌道平面與赤道平面之間的夾角為90。在極地軌道上運行的衛(wèi)星可以飛越任何緯度以及每個軌道上的北極和南極。
行星探測器軌道
行星探測器的軌道根據受力情況分為三個階段：繞地心運動階段、繞日心運動階段和繞行星質心運動階段。行星探測器需要沿著過渡軌道行進，從一個階段移動到下一個階段。
萬有引力定律
地球上的大部分物體被拋到空中后都會落到地面上。這是由于地球對這些物體的吸引力。牛頓的萬有引力提出，任何兩個物體之間都存在相互吸引力，而不僅僅是地球。
牛頓萬有引力定律表述為：任意兩個質點（質點是指有質量但沒有體積或形狀的點，這是理想化模型）通過連線方向的力相互吸引中心。該引力的大小與兩個粒子質量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比。此外，它與兩個物體的化學成分以及它們之間的材料類型無關。
那么為什么我們感覺不到手指和鼠標之間的吸引力，卻能感受到地球對我們的吸引力呢？這是因為手指和鼠標的質量太小，我們無法感受到這種吸引力。相反，地球和其他天體具有驚人的質量。在考慮天體受力時，我們不能忽視天體之間的引力。
開普勒運動定律
1609年，約翰內斯·開普勒在其出版物《新天文學》中發(fā)表了兩條行星運動定律。1618年，他發(fā)現(xiàn)了行星運動第三定律。
開普勒之所以能夠發(fā)現(xiàn)這些定律，是因為他有幸獲得了第谷·布拉赫觀察和收集的非常精確的天文數(shù)據。根據丹麥天文學家布拉赫對行星位置的觀察，開普勒發(fā)現(xiàn)行星的運動遵循三個相當簡單的定律。
開普勒第一定律，也稱為橢圓定律：每顆行星都在自己的橢圓軌道上繞太陽運行，太陽位于橢圓的焦點上。
開普勒第二定律，也稱為面積定律：在相同的時間內，太陽和運動行星的連線所掃過的面積相等。
開普勒第三定律，又稱調和定律：各行星繞太陽公轉周期的平方與其橢圓軌道的半長軸的立方成正比。由這個定律可以得出，行星與太陽之間的吸引力與半徑的平方成反比，這是牛頓萬有引力定律的重要基礎。
愛因斯坦的相對論
相對論的誕生
1905年5月的一天，阿爾伯特·愛因斯坦和他的朋友貝索討論了相對論，這是一個已經探索了十年的問題。兩人討論了很長時間。突然，愛因斯坦意識到了一件事。回到家后，他想了又想，終于找到了問題所在。第二天，愛因斯坦再次來到貝索家說：謝謝你，問題解決了。事實證明，愛因斯坦想得很清楚一件事：時間沒有絕對的定義，時間和光速之間有著密不可分的聯(lián)系。他找到了問題的解決辦法。然后，經過幾周的努力，愛因斯坦提出了他的狹義相對論。后來，他在《論動體的電動力學》和《關于相對性原理和由此得出的結論》等論文中詳細闡述了狹義相對論的內容。
1915年11月，愛因斯坦向普魯士科學院提交了四篇論文，提出了廣義相對論。后來，愛因斯坦在長論文《廣義相對論的基礎》中提出，將之前應用于慣性系統(tǒng)的相對論稱為狹義相對論，將物理定律只適用于慣性系統(tǒng)的原理稱為狹義相對論原理，并進一步描述了廣義相對論。自然原理：他相信物理定律在任何以任何方式移動的參考系中都必須成立。
狹義相對論和廣義相對論
相對論分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論認為，除非兩個物體處于相對靜止或相對勻速直線運動的狀態(tài)，否則兩個物體就不處于絕對統(tǒng)一的時間。
例如，鐘樓外墻上掛著一個鐘。從它的三個指針全部重疊的那一刻起，觀察者乘坐的飛船以光速從鐘面出發(fā)，以勻速直線運動垂直于鐘面運動，那么觀察者就永遠只能看到第一個秒針擺動的秒數(shù)。這是因為觀察者以光速做直線運動，而秒針擺動的圖像也以光速傳播，所以觀察者只能看到第一秒的圖像，因為出發(fā)時間與觀察者相同，而第二秒的圖像可以被觀察者看到。由于圖像比觀察者離開的時間晚了一秒，所以第二秒的圖像無法到達觀察者的眼睛。
伽利略動力學理論
擺的等時性
1582年左右，18歲的伽利略通過長期的實驗觀察和數(shù)學計算，總結出了鐘擺的等時性定律：在同一地點，用細線懸掛的物體擺動一周所需的時間只與擺的長度有關。對于同一個擺，擺動周期始終保持不變。
兩個球同時落地
關于物體的下落運動，亞里士多德認為，當兩個物體從同一高度落下時，較重的物體先落下，較輕的物體后落下。這一理論主導了西方科學界一千多年。伽利略對下落物體的運動進行了詳細的觀察。這一理論在實驗上和理論上都被否定了，并建立了正確的“自由落體定律”，即在忽略空氣阻力時，不同重量的球會同時落到地面，且下落速度無關。與重量有關。
據說伽利略在比薩斜塔上做了一個實驗，讓兩個不同重量的小球同時落到地上。
重力與加速度的關系
伽利略對運動的基本概念，包括速度（用來描述物體運動的速度有多快）和加速度（用來描述物體速度變化的速度）進行了詳細的研究，并給出了嚴格的數(shù)學表達式。在落球的實驗中，他得到了球的力與加速度的關系，并證明了當物體只受到地球引力的影響時，無論物體的質量如何，它們的加速度都是相同的。這是力學史上一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)。伽利略提出的重力與加速度的關系奠定了動力學的科學基礎。在伽利略之前，只有靜力學有定量描述。牛頓將引力擴展到所有力，并根據力與物體質量之間的關系建立了牛頓第二運動定律。
慣性定理
伽利略曾正式提出慣性定律，他稱之為慣性原理：“水平方向運動的物體，除非受到外力的干擾，否則將繼續(xù)以相同的方向和速度運動”。牛頓后來提到了伽利略的慣性原理。稱為他的第一運動定律。
伽利略的相對論原理
我們知道，愛因斯坦曾提出相對論，伽利略關于相對論基本原理的一些結論構成了愛因斯坦相對論的框架。伽利略認為，任何勻速直線運動的系統(tǒng)（如勻速直線運動的馬車），物理定律都是相同的，因此不存在絕對的運動或靜止。這一原理也構成了牛頓運動定律的框架?？梢姡だ允桥ｎD運動定律和愛因斯坦相對論的先驅。
多普勒效應
多普勒效應是指由于波源和觀察者的相對運動而導致物體輻射波長的變化。在移動波源面前，波被壓縮，波長變短，頻率變高（藍移）；在移動波源后面，會發(fā)生相反的效果。波長變長，頻率變低（紅移）；波源的速度越高，效果越大。生活中有這樣一個有趣的現(xiàn)象：當救護車駛近時，聲音越來越大；當救護車駛近時，聲音越來越大；當救護車駛近時，聲音越來越大。而當車子離開時，聲音也越來越小。你可能沒有意識到，這種現(xiàn)象與醫(yī)院使用的彩色超聲波屬于同一個原理，即“多普勒效應”。
太空任務的基本要素
太空任務的四要素：航天器、軌道、運載火箭、任務控制系統(tǒng)
牛頓三定律
我們都有這樣的經歷：當我們用手掌拍打一塊柔軟的橡皮泥時，一方面，橡皮泥因手掌的力量而變平；另一方面，橡皮泥因手掌的力量而變平了。另一方面，如果用力太大，我們的手掌也會痛，就像橡皮泥也“打”我們一樣。橡皮泥自然不會砸到人。事實上，牛頓第三定律可以很好地解釋這一點。牛頓第三定律指出，兩個相互作用的物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，并且作用在同一條直線上。在上面的例子中，兩個物體是手掌和橡皮泥。橡皮泥壓扁是由于作用在手掌上的力造成的，而手掌的疼痛是由于橡皮泥對手掌的被動反作用力造成的。
此外，牛頓還提出了牛頓第一定律和牛頓第二定律。牛頓第一定律就是上面提到的伽利略提出的慣性定理，即任何物體都必須保持勻速直線運動或靜止，直到受到外力迫使它改變運動狀態(tài)為止。
牛頓第二定律描述了物體的運動與作用在物體上的力之間的關系。牛頓第二定律指出，物體的加速度（即物體速度變化的速度）與物體所受的力成正比，與物體的質量成反比，加速度的方向為與力的方向相同。牛頓第二定律也很容易理解。例如，當我們推動一輛最初靜止的汽車時，我們用力越大，汽車加速得越快。