《认识航天--航天飞机空间站知识与鉴赏》主要分为三个部分，第一部分主要介绍火箭、航天飞机、空间站的历史、基本原理、组成以及相应的设计方法与设计参数；第二部分介绍了一些著名的航天飞机及空间站，并对美国著名的“阿波罗”飞船及其相应的登月计划进行了详细说明，进而介绍了各种空间探测器的发展与功能；第三部分主要介绍了航天科技中的载人航天技术，其中重点介绍了各国曾经制定的或正在进行的载人航天计划，同时也详细介绍了航天技术未来的发展方向。本书由哈尔滨工程大学王永军等多位老师合作编写。

《认识航天--航天飞机空间站知识与鉴赏》全面系统地介绍了航天科技的发展历史、现状及发展前景。主要内容包括火箭、航天飞机等航天器的原理、结构以及其起源和发展，并介绍了一些著名的航天飞机、空间站、太空计划和空间探测器以及航天科技的发展。本书语言简洁、图文并茂、条理清楚。

《认识航天--航天飞机空间站知识与鉴赏》可作为中、小学生在课后业余时间的科普性读物，也可以作为各中、小学校科普课程的参考用书。本书由哈尔滨工程大学王永军等多位老师合作编写。

1 运载火箭和助推火箭

1.1 火箭的飞行原理

1.1.1 中国古代火箭

1.1.2 现代火箭飞行原理

1.1.3 现代火箭的先驱

1.2 火箭整体设计

1.2.1 火箭总体设计方案的形成

1.2.2 火箭的结构组成

1.3 发动机与燃料

1.3.1 火箭发动机的基本原理

1.3.2 火箭发动机的工作循环理论

1.3.3 世界著名火箭发动机及参数

1.4 控制系统

1.4.1 测试发射控制系统

1.4.2 飞行控制系统

1.5 辅助系统

2 航天飞机

2.1 航天飞机基本原理

2.2 轨道器的基本设计原理

2.3 外储箱与助推器

2.3.1 外储箱

2.3.2 助推器

2.4 通信系统与远程控制系统

2.5 航天飞机的发射与返回

2.5.1 发射前准备

2.5.2 发射过程

2.5.3 航天飞机的返回技术

2.6 航天飞机与空间站交会对接

2.6.1 航天飞机与空间站交会对接概述

2.6.2 航天飞机与“和平号”首次交会对接

2.6.3 航天飞机与“和平号”第二次交会对接

2.6.4 航天飞机与“和平号”对接程序

2.6.5 航天飞机与空间站交会对接的启示

3 空间站

3.1 空间站的功能与整体设计

3.1.1 空间站的概念

3.1.2 空间站的功能

3.1.3 空间站的整体设计

3.2 空间站结构与动力设施

3.2.1 空间站结构

3.2.2 空间站动力设施

3.3 生命保障设施与生活区

3.3.1 环境控制分系统

3.3.2 大气再生分系统

3.3.3 水的供应和处理分系统

3.3.4 废物处理分系统

3.3.5 热控分系统

3.3.6 居住分系统

3.3.7 舱外活动分系统

3.4 科研设施与工作区

3.4.1 生物学实验装置

3.4.2 生命科学与材料科学研究

3.4.3 对地观测和天文观测研究

3.5 通信与跟踪系统

3.5.1 通信设施组成

3.5.2 空间站通信信号处理过程

3.5.3 空间站的空对地通信系统

4 世界著名航天飞机

4.1 “企业号”

4.1.1 简介

4.1.2 构造

4.1.3 “企业号”进行的ALT测试任务

4.1.4 航天飞机现况

4.2 “哥伦比亚号”

4.2.1 简介

4.2.2 飞行事故

4.2.3 失事影响

4.3 “挑战者号”

4.3.1 简介

4.3.2 历史

4.3.3 失事过程

4.4 “发现号”

4.4.1 简介

4.4.2 完成的主要任务

4.4.3 退役

4.5 “亚特兰蒂斯号”

4.5.1 简介

4.5.2 历次任务

4.6 “奋进号”

4.6.1 简介

4.6.2 诞生历史

4.6.3 历次任务

5 世界著名空间站

5.1 礼炮系列空间站

5.1.1 “礼炮号”空间站的发展历程

5.1.2 “礼炮号”空间站的结构组成

5.1.3 “礼炮号”空间站的运行过程

5.2 “天空实验室”空间站

5.2.1 “天空实验室”简介

5.2.2 “天空实验室”空间站的结构

5.2.3 “天空实验室”空间站取得的成果

5.3 “和平号”空间站

5.3.1 “和平号”空间站简介

5.3.2 “和平号”空间站结构

5.3.3 “和平号”空间站取得的成果

5.4 “自由号”空间站

5.4.1 “自由号”空间站计划提出

5.4.2 “自由号”空间站具体设想

5.5 国际空间站

5.5.1 国际空间站建造历史

5.5.2 国际空间站结构

5.5.3 国际空间站的功能

5.6 中国空间站计划

5.6.1 中国空间站计划具体步骤

5.6.2 中国空间站的初步设计

5.6.3 中国空间站的意义

6 阿波罗飞船与登月计划

6.1 登月方案

6.2 火箭及飞船系统

6.2.1 火箭剖析

6.2.2 飞船构造

6.3 载人登月

6.3.1 试验工作

6.3.2 辅助计划

6.3.3 成功记录

7 空间探测器

7.1 月球探测器

7.1.1 简介

7.1.2 飞行轨道类型

7.1.3 飞行轨道设计限制条件

7.1.4 构型设计的特点

7.2 近地行星探测器

7.2.1 概述

7.2.2 第一个行星探测器——“水手2号”

7.3 太阳与彗星探测器

7.3.1 太阳探测器

7.3.2 彗星探测器

7.4 外行星探测器

7.4.1 “旅行者1号”探测器

7.4.2 “旅行者2号”探测器

8 载人太空飞行竞赛

8.1 开创性的“东方”计划

8.1.1 东方计划的“东方号”飞船

8.1.2 “东方号”飞船构造

8.1.3 “东方号”飞船的飞行记录

8.2 迟到一步的“水星”计划

8.2.1 “水星”计划简介

8.2.2 “水星”计划中的“水星”飞船

8.2.3 “水星”计划中推进器的研究

8.2.4 “水星”计划中的宇航员

8.2.5 “水星”计划的影响

8.3 匆忙上阵的“上升”计划

8.3.1 “上升号”飞船的历史背景

8.3.2 “上升号”飞船结构

8.3.3 “上升号”飞船任务

8.4 成就卓越的“双子星”计划

8.4.1 “双子星”计划简介

8.4.2 “双子星”系列飞船历史

8.4.3 “双子星”飞船结构

9 中国航天技术发展历程

9.1 中国航天发展事业的宗旨、原则

9.1.1 中国航天事业的发展宗旨

9.1.2 中国航天事业的发展原则

9.2 中国航天事业的发展现状

9.2.1 空间技术

9.2.2 空间应用

9.2.3 空间科学

10 航天科技的未来

10.1 太空城与太空移民

10.2 太空基地和改造火星

10.2.1 太空港

10.2.2 太空桥

10.2.3 改造火星

10.3 太空工业化

10.3.1 太阳能卫星电站

10.3.2 太空加油站

10.3.3 太空工厂

10.3.4 太空农场

航天飞机在起飞入轨的上升段使用火箭技术，轨道飞行段运用航天器技术，而再入大气层后的滑翔飞行和水平着陆段，则采用典型的航空技术。在航天飞机的整个飞行过程中，起飞和返回最为关键，也最具风险。相比而言，返回较起飞更为复杂，包括轨道器脱离绕地轨道，再入大气层和着陆进入机场三个飞行阶段，是控制和操纵航天飞机最为复杂的过程。航天飞机的气动设计是一个极富挑战的技术难题。航天飞机的水平着陆，实际上是无动力的滑翔着陆。换句话说，航天飞机一旦脱离地球轨道、进入大气层，就是一锤子买卖，不可能复飞了，必须降落下来，最好就是指定地点。这要求航天飞机具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距离，在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的着陆操控性能。换句话说，航天飞机要有良好的低空低速性能。理想情况下，这要求采用具有较高升阻比的细长机翼。但是，航天飞机在返回大气层之初，速度可以高达24马赫(1马赫等于每小时1126公里)，这又要求航天飞机具有良好的极高速性能，所以这要求航天飞机最好采用阻力最小的升力体的布局。也就是说，由扁平短拙、前缘尖锐的机体本身产生必要的升力，根本不用常规意义下的机翼。经过大量的研究和计算，在对高低速飞行性能、滑翔距离、机动性、重量、减速和温度控制综合折中后，航天飞机的气动外形定为现在为人们所熟悉的升力体加三角翼的布局。折中都是有代价的，航天飞机的操纵特性据说和一块飞行的砖头差不多。滑翔机的细长机翼(见图2.12)提供最大的滑翔性能，但高速飞行时阻力巨大，结构应力也巨大。升力体没有机翼，直接用扁平的机体产生升力，这样阻力最小，最适合高速飞行，如图2.13。航天飞机的最后气动布局是升力体加三角翼，综合考虑从24倍音速到水平着陆速度的整个速度范围的气动性能，如图2.14。

航天飞机的机体还要考虑返回过程中气动加热所产生的极高的温度。从减低气动阻力以减少气动加热的角度看，航天飞机应该采用尖锐的头部。但理论计算和实验证明，载入过程中极高的速度使气动加热的升温速度太快，尖锐的头部对减小气动加热的作用微乎其微，头锥在时间和空间上受到高度集中的热负荷，根本没有时间散热，将很快被烧毁。耐热材料或隔热、散热、导热技术只能略微推迟被烧毁的时机，但不能从根本上改变被烧毁的结局。1951年，NACA(美国国家航空咨询委员会，即美国国家航空航天局的前身)物理学家亨利·艾伦在机密的内部研究中发现，高速再入大气层的航天器前端对空气产生强烈压缩，在前方大气中形成一个伞状的激波锥，激波前沿的空气密度急剧升高，在航天器前面像一堵移动的墙一样，航天器则在激波锥的尾流中前行。由于和前方静态空气直接接触的是激波锥而不是航天器本身，气动加热主要由激波前沿和前方的静态空气之间的压缩和摩擦产生。如果航天器表面和激波前沿保持一定的距离，气动加热所产生的热量将主要在空气密度较高的激波内传导和耗散，航天器在周围宽厚的边界层保护下，本身承受的热负荷就要小很多。于是，降低航天器热负荷的一个重要途径就是使激波锥前移，尽量远离航天器本体。根据这一发现，亨利·艾伦提出航天器的头部应该是钝形，而不是尖锐的。钝形头部可以有效地在减速过程中，在艏部推出一个宽大和强烈的激波，并使波前锋远离艏部和周围，就像平头的驳船船首推开的波浪一样。这就是宇宙飞船、航天飞机、洲际导弹的头部都采用钝头锥体的原因。事实上，如果能够确保航天器在再入过程中不至于翻滚，平底朝下的再入姿态可以产生最大的保护效果。

亨利·艾伦的研究成果成为航天器再入段气动设计的理论基础。理论计算同时还证明了钝头锥体的气动减速率和具体形状无关，其气动加热速率和热负荷与尖锐锥体相当。不同之处在于尖锐锥体的边界层很薄，起不到隔热保护作用，航天器的尖端和本体结构将变为承受气动加热的主体。相比之下，钝头锥体前方的激波是承受气动加热的主体，航天器所处在的尾流区反而温度较低。实际表明，航天飞机再入段初期，头锥前方几米外激波前沿的温度可达5300℃，但机体表面“仅仅”承受1260℃左右，用隔热的陶瓷瓦就可以了。

热防护问题解决了，返回飞行控制就是下一个挑战。返回的轨迹设计对安全返回起到极大的作用。返回的轨迹必须尽量缩短穿越大气层的时间，以减少暴露于气动加热的时间和降低累计的加热量；同时还要尽量降低在大气层的飞行速度，以减少气动加热的速率。这是一个很棘手的问题，只有一个很窄的窗口可以同时兼顾较短的飞行时间和较小的飞行速度。

航天飞机装备有减速火箭，但减速火箭的减速作用是有限的，只能将航天飞机的速度降到不足以维持轨道运行的临界速度以下，以完成脱离地球轨道的动作。减速火箭不能对载入时的高速下降过程起到真正的刹车作用。其实这道理很简单，火箭发射是一个用动能换取位能的过程，返回自然就是用位能换取动能的过程。如果不考虑空气摩擦和燃料消耗的因素，理论上，上升阶段的助推火箭的推力和延续时间该多大，返回阶段的刹车火箭的推力和延续时间也就要多大，这自然是不现实的。

载入前，航天飞机尾向前、背朝下倒飞，在指定的离轨时刻，点燃减速火箭约2.5min，把速度降下约330km／h，使航天飞机的速度所带来的离心力不再和地球引力相抵，从而开始载入过程，约27min后开始进入大气层。这一阶段，航天飞机和一块陨石没有太大的差别。从进入大气层开始，航天飞机离着陆还有约30min。减速火箭熄火后，航天飞机开始倒翻筋斗调整姿态，最终头向前、背朝天以约40。仰角向前飞行。在进入大气层时，高度约120km，速度约24马赫，距离着陆场约8150km。由于太阳活动和高层大气活动的缘故，航天飞机每次载入的细节总有细微的差异。在载入过程中，动压达到470Pa时，副翼开始生效，滚转控制火箭关闭；动压达到940Pa时，襟翼开始生效，俯仰控制火箭关闭：偏航控制火箭一直要到速度减到3马赫和13720m高度时才关闭，改由机翼和垂尾的舵面控制。P32-34

近年来，随着经济的飞速发展及航天科技的不断进步，各国开始积极发展航天工程，如我国的“嫦娥计划”、“北斗计划”，美国的“火星计划”等。一个国家的航天科技的发展水平，在一定程度上代表着这个国家的科技情况及国防情况。作为国家未来栋梁的中、小学生应该对当前的航天科技及基本的航天知识有所了解，在增长知识的同时也能丰富他们的课外知识以及课外生活。

本书主要分为三个部分，第一部分主要介绍火箭、航天飞机、空间站的历史、基本原理、组成以及相应的设计方法与设计参数；第二部分介绍了一些著名的航天飞机及空间站，并对美国著名的“阿波罗”飞船及其相应的登月计划进行了详细说明，进而介绍了各种空间探测器的发展与功能；第三部分主要介绍了航天科技中的载人航天技术，其中重点介绍了各国曾经制定的或正在进行的载人航天计划，同时也详细介绍了航天技术未来的发展方向。本书可作为中、小学生在课后业余时间的科普读物，也可作为各中、小学校科普课程的参考用书，也可以作为了解航天知识的基础书籍。

在编写过程中，我们力求内容丰富，知识结构安排合理，以难易结合、循序渐进的科学方法，统筹安排，合理设计，精心组织。同时，走访了许多航天科技的学者，向他们了解目前航天技术最前沿的发展情况及发展趋势。借此机会，对他们在此次编写过程中给予的无私指导和宝贵建议给予特别感谢！

本书由哈尔滨工程大学多位老师合作编写。各章编写人的具体分工是：孙勇(第1、8、9、10章)，徐俊(第2、4、6章)，王永军(第3、5、7章)，由孙勇统稿。参加本书编写工作的还有哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院的华磊、毛海峰、王君柱、苏毅、张海静、祝玉芳等同志。

因编者水平所限，本书不当之处欢迎广大同行批评指正。

孙勇

2013年8月