高中地球科学/近期太空探索

课程目标

概述空间站和航天飞机的历史。
描述太空探索的最新进展。

航天飞机和空间站

虽然美国在 1970 年代初期继续执行登月任务，但苏联有另一个目标：建造一个空间站。空间站是一艘大型宇宙飞船，人类可以在上面生活很长时间。

早期空间站

**图 23.25**：苏联的礼炮 7 号空间站从 1982 年运行到 1991 年。

苏联于 1971 年 4 月 19 日将第一个空间站礼炮 1 号送入轨道。最初，空间站没有人员。三位宇航员于 1971 年 6 月 7 日登上空间站，并在那里停留了 22 天。不幸的是，宇航员在返回地球时不幸遇难，返回舱在仍然处于太空真空状态时失去压力。礼炮 1 号于 1971 年 10 月 11 日脱离轨道，并因与地球大气层摩擦而燃烧殆尽。

从 1971 年到 1982 年，苏联总共将七个礼炮空间站送入轨道。图 23.25 显示了最后一个礼炮 7 号。这些都是临时空间站，发射后由人类机组人员居住。三个礼炮空间站用于秘密军事目的。其他的用于研究太空生活的难题，以及进行天文学、生物学和地球科学方面的各种实验。礼炮 6 号和礼炮 7 号各有 2 个对接口，因此一个机组人员可以将宇宙飞船对接到一端，然后替换机组人员可以对接到另一端。

美国在这个时期只发射了一个空间站——天空实验室，如图 23.26 所示。天空实验室的设计基于阿波罗登月任务中使用的土星 5 号火箭的一部分。天空实验室于 1973 年 5 月发射到近地轨道。它在脱离地球大气层时受损，但在第一批机组人员到达时进行了维修。

三组人员访问了天空实验室，所有人员都在它进入轨道的第一年内访问。天空实验室用于研究长时间留在太空的影响。它也被用于研究太阳。天空实验室于 1979 年再入地球大气层，比预期的时间要早。它非常大，以至于天空实验室在再入地球大气层时并没有完全燃烧。结果，它的碎片散落在很大一片区域，包括澳大利亚西部的部分地区。新闻标题写着：“天空实验室正在坠落！”

模块化空间站

第一个为超长期使用而设计的空间站是和平号空间站（图 23.27）。和平号是一个模块化空间站，这意味着它被分成几个独立的部分发射，并在太空中组装起来。和平号的核心部分由苏联于 1986 年发射。和平号在 1986 年至 1996 年的几个阶段中组装完成。和平号保持着太空持续存在时间最长的记录。几乎 10 年来，一直有人在和平号上连续生活，只差了 8 天就达到了 10 年的目标。和平号于 2001 年脱离轨道；它落入太平洋，正如俄罗斯人计划的那样。

和平号是美国和俄罗斯（苏联解体后）在重大太空项目中首次合作。1993 年，美国副总统阿尔·戈尔和俄罗斯总理维克多·切尔诺梅尔金宣布了建造一个新空间站的计划，该空间站后来被称为国际空间站或 ISS。他们还同意美国将在未来几年参与和平号项目。航天飞机将参与向和平号运送物资和人员的任务。此外，美国宇航员将在和平号上生活数月。与俄罗斯的这种合作使美国能够从俄罗斯在长时间太空飞行方面的经验中学习。图 23.28 显示了与美国航天飞机连接的和平号。

国际空间站

早期的太空探索是由美国和苏联之间的竞争驱动的。然而，自从冷战结束以来，太空技术和太空探索从合作精神中获益。国际空间站，如图 23.29 所示，是美国（NASA）、俄罗斯（RKA）、日本（JAXA）、加拿大（CSA）和几个欧洲国家（ESA）的航天机构之间的一个联合项目。巴西航天局也做出了贡献。

国际空间站是一个非常大的空间站，拥有许多不同的部分。它仍在组装。第一部分于 1997 年发射。第一批机组人员于 2000 年到达，此后空间站一直有人员在上面工作。美国航天飞机运送大多数物资和设备到空间站，而俄罗斯联盟号宇宙飞船运送人员。空间站的主要目的是进行科学研究，特别是在生物学、医学和物理学方面。

航天飞机

NASA 用于阿波罗任务的宇宙飞船非常成功，但它们非常昂贵，无法运载太多货物，而且只能使用一次。在阿波罗登月任务结束后，NASA 想要一种新型太空飞行器。他们希望这种飞行器可重复使用，并且能够运载大型设备，例如卫星、太空望远镜或空间站的部分。最终诞生的飞行器是一种航天飞机，如图 23.30 所示。虽然这种飞行器有时被称为“航天飞机”，但美国实际上拥有五架可工作的航天飞机——哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯号和奋进号。苏联建造了类似的航天飞机，称为暴风雪号，但它从未执行过载人任务。

航天飞机有三个主要部分，尽管你可能最熟悉轨道器，它就是像飞机一样有翅膀的那一部分。当航天飞机发射时，轨道器连接到一个巨大的燃料箱，里面装有液体燃料。在燃料箱的两侧是两个大型助推火箭。

图 23.31 展示了正常航天飞机任务的各个阶段。发射地点位于佛罗里达州的卡纳维拉尔角。助推火箭提供额外的动力将轨道器送出地球大气层。完成任务后，它们会降落到海中，并被回收再次使用。燃料箱耗尽后，也会脱落，但在大气层中燃烧殆尽。一旦进入太空，轨道器可用于释放设备，例如卫星或国际空间站的补给，修复现有设备，例如哈勃太空望远镜，或直接在轨道器上进行实验。

轨道器完成任务后，会重新进入地球大气层。当它穿过大气层时，轨道器的外部会加热到超过 1,500°C。火箭在重入时不会点火，因此航天飞机更像滑翔机而不是普通飞机。飞行员必须非常精确地操控航天飞机，才能降落在跑道上。航天飞机通常降落在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心，或加州的埃德华兹空军基地。然而，如果这两个着陆点的天气状况不佳，航天飞机可以降落在世界各地的多个备用着陆点。之后，它可以被装载到一架喷气式飞机上，运回佛罗里达州。

航天飞机灾难

航天飞机计划非常成功。航天飞机使许多科学发现和太空中的其他伟大成就成为可能。然而，该计划也发生了一些悲惨的灾难。

从 1981 年首次飞行到 1985 年底，航天飞机进行了 20 多次成功的任务，包括许多卫星发射和科学研究任务。1986 年 1 月 28 日，挑战者号航天飞机发射升空，载有 7 名机组人员，其中包括克丽斯塔·麦考利夫，她将成为第一位进入太空的老师。发射 73 秒后，挑战者号开始解体，大部分在空中解体，如图 23.32 所示。机上的 7 名机组人员全部遇难。后来的研究表明，问题出在 O 形环上，这是助推火箭中的一小部分。由于这场灾难，航天飞机任务被暂停，而美国宇航局则研究了这个问题，并提高了航天飞机的安全性能。

航天飞机任务于 1988 年再次开始，之后连续 87 次任务没有发生重大事故。然而，在 2003 年 1 月 16 日哥伦比亚号航天飞机起飞时，一块小的绝缘泡沫从燃料箱上脱落。泡沫撞上了轨道器的机翼，损坏了一块位于航天飞机机翼前缘的瓦片。这些瓦片是隔热瓦，可以保护航天飞机免受极高温度的侵蚀。2003 年 2 月 3 日，哥伦比亚号返回地球时，无法承受高温，并解体。航天飞机的碎片在美国南部各地被发现，尤其是在德克萨斯州。与挑战者号灾难一样，所有 7 名机组人员全部遇难。

哥伦比亚号灾难后，航天飞机任务被暂停两年多，而美国宇航局则致力于解决这个问题。灾难发生一年后，布什总统宣布航天飞机计划将于 2010 年结束，并将由新的载人探索飞船取代。该载人探索飞船，现在被称为猎户座，预计将于 2014 年投入使用。所有剩余的航天飞机任务都将前往国际空间站，除了对哈勃太空望远镜的一次维修任务。

最近的太空任务

自 1986 年挑战者号灾难以来，美国宇航局一直专注于无人驾驶任务，除了国际空间站任务。这些最近的任务比载人任务花费更低，危险性更小，但仍然提供了大量宝贵的信息。

地球科学卫星

近年来，美国宇航局和其他国家/地区的航天机构已经发射了数十颗卫星，用于收集有关地球系统现状的数据。例如，美国宇航局的陆地卫星拍摄了地球大陆和沿海地区的详细图像，例如图 23.33 中的图像。其他卫星研究海洋、大气、极地冰盖和其他地球系统。这些数据有助于我们监测气候变化，并了解地球系统如何相互影响。


图 23.33：上面的两幅图像来自美国宇航局的陆地卫星 7 号。左侧显示的是 2000 年 4 月 26 日的新奥尔良和庞恰特雷恩湖。右侧显示的是 2005 年 8 月 30 日卡特里娜飓风袭击该市后不久的同一区域。城市中深蓝色的区域被水淹没。

太空望远镜

一些最伟大的天文学发现，以及最伟大的图片，比如图 23.34 中的图片，都来自哈勃太空望远镜。哈勃是第一个进入太空的望远镜。它于 1990 年由发现号航天飞机送入轨道。从那时起，已有四次航天飞机任务前往哈勃，进行维修和升级。最后一次对哈勃进行维修的任务计划在 2008 年进行。

美国宇航局还在太空中发射了其他几个望远镜，包括斯皮策太空望远镜、钱德拉 X 射线天文台和康普顿伽马射线天文台。迄今为止最大、最先进的太空望远镜，詹姆斯·韦伯太空望远镜，计划于 2013 年发射进入轨道。詹姆斯·韦伯将取代哈勃太空望远镜，并将具有更强大的观测远处天体的能力。其他国家/地区，包括俄罗斯、日本和几个欧洲国家/地区，也已经将太空望远镜送入轨道。

太阳系探测

近年来，我们一直在探索太阳系。1997 年，火星探路者号漫游车降落在火星上。漫游车就像一个带轮子的宇宙飞船（图 23.35）。它可以在月球或行星表面移动，并从不同位置收集数据。2004 年，又有两辆漫游车——勇气号和机遇号——降落在火星上，截至 2008 年，它们仍在向地球发送数据。令人惊讶的是，这两辆漫游车最初的设计只是为了探索火星 90 天——现在它们的工作时间已经超过了预期寿命的 15 倍。目前有几艘宇宙飞船围绕火星运行，研究其表面和稀薄的大气层。

卡西尼号任务自 2004 年以来一直在研究土星，包括它的环和卫星。由欧洲航天局建造的惠更斯号探测器正在研究土星的卫星土卫六。土卫六具有一些支持生命所需的条件。

一些任务正在研究我们太阳系中的较小天体。深撞击号探测器被派去撞击一颗彗星，一路收集数据。当它撞击彗星时，撞击产生了尘埃云。太空望远镜和地球上的望远镜都在撞击后收集数据。星尘号任务收集了来自另一颗彗星的微小尘埃颗粒。目前正在进行的任务是研究一些较大的小行星和冥王星。对太阳系中较小天体的研究可能有助于我们了解太阳系的形成过程。

未来任务

2004 年，布什总统提出了“太空探索新愿景”。他设定了到 2020 年再次将人类送上月球的目标。然而，与阿波罗任务不同的是，布什提出到达月球仅仅是开始。他还提出在月球上建立一个永久性空间站，可以作为人类前往火星及更远地方的任务基地。他宣布，在国际空间站建成后（大约 2010 年），航天飞机计划将退役。一种新的太空飞行器，现在被称为猎户座，将被开发出来，用于将人类送入太空。

布什总统还解释说，我们将通过合作方式实现这些目标，更像国际空间站，而不是太空竞赛期间的任务。他说：“我们将邀请其他国家/地区共同分享这个新探索时代的挑战和机遇。我今天概述的愿景是一段旅程，而不是一场竞赛，我呼吁其他国家/地区以合作和友谊的精神加入我们这段旅程。”与此同时，中国、俄罗斯和日本都表示，他们正计划将人类送上月球，并建立自己的月球基地。

课程摘要

苏联在 1971 年至 1982 年间将 7 个礼炮号空间站送入轨道。
美国第一个空间站是天空实验室。天空实验室从 1973 年运行到 1979 年。
苏联（后来的俄罗斯）空间站和平号是第一个模块化空间站。俄罗斯和美国宇航员都曾在和平号上生活过。
国际空间站是一个巨大的项目，涉及许多国家。它仍在组装中。
航天飞机是美国宇航员进入太空的可重复使用飞行器。航天飞机像火箭一样发射，像滑翔机一样降落。
航天飞机计划发生过两次重大灾难——1986年的挑战者号灾难和2003年的哥伦比亚号灾难。在这两次事故中，航天器被摧毁，7名机组人员丧生。
最近的太空任务主要使用小型航天器，例如卫星和太空探测器，没有载人。
美国计划在 2020 年之前再次将人类送上月球，在月球上建立基地，然后将人类送往火星。

复习题

哪个空间站是由美国单独建造和发射的？
和平号空间站运行了多少年？
哪个空间站是第一个涉及多个国家合作的空间站？
描述航天飞机与阿波罗任务中使用的航天器相比，有哪些改进？
说出美国建造的五个功能完备的航天飞机。其中哪些被毁坏？
描述哥伦比亚号航天飞机灾难，包括其原因。
描述两个最近或正在进行的太空任务。
航天飞机更像火箭还是飞机？解释你的答案。

词汇

轨道器: 航天飞机的主要部分，有像飞机一样的机翼。
航天飞机: 一种可重复使用的航天器，能够运载大型设备或空间站的部件。
空间站: 太空中的一种大型航天器，人类可以在上面长期居住。

需要考虑的要点

迄今为止，共有 22 人在太空任务中丧生。仅在两次航天飞机灾难中，就有 14 人丧生。然而，太空探索和研究带来了许多重大发现和新技术。你认为将人送入太空是否值得冒险？为什么或为什么不？
在过去几年中，私营公司一直在开发可以将人送入太空的运载工具和发射系统。
你能想到这类飞行器的哪些应用？私营公司建造和发射航天器有哪些优缺点？

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