宇宙航行

载人或不载人的航天器在太空（地球大气层以外的宇宙空间）的航行活动。又称空间飞行或宇宙航行。

概况

space flight宇宙航行主要目的是探索、开发和利用太空以及地球以外的天体。包括环绕地球的运行、飞往月球或其他行星的航行（环绕天体运行、从近旁飞过或在其上着陆）、行星际空间的航行和飞出太阳系的航行。航天的关键在于航天器应达到足够的速度，克服或摆脱地球引力，飞出太阳系的航行还要摆脱太阳引力。第一、第二、第三宇宙速度是航天所需的3个特征速度。恒星际航行尚处于探索阶段（见星际航行）。有人把太阳系内的航行活动称为航天，太阳系外的航行活动称为航宇。航天有时也泛指航天工程或航天技术。

第一宇宙速度(人造卫星的环绕速度）=7.9km/s

第二宇宙速度（逃逸速度）=11.2km/s

第三宇宙速度（脱离速度）=16.7km/s

宇航科技之父

20世纪初，飞机刚发明不久，莱特兄弟试飞成功的消息就传到欧洲，在欧洲特别是法国掀起一股“飞行热”，涌现出一批不屈不挠的航空先驱，法尔芒就是其中的一位”。1908年的一天，法尔芒又一次打破飞行纪录。飞行结束后，一个年轻人从人群中挤过去，与法尔芒展开了一段精彩的对话。这名年轻人问法尔芒：“我是研究科学的。有一位伟大的科学家。用他的定律证明了比空气重的东西是绝对飞不起来的，你能解释一下飞机为什么会飞起来吗?”法尔芒幽默地回答：“是那个研究苹果落地的人吗?幸好我没有读过他的书，不然，今天就不会得到这次飞行的奖金了。我以前只是个卡车司机，现在又成了飞行员。至于飞机为什么会飞起来，不关我的事，您作为教授，应该研究它。”法尔芒的话令这个年轻人大吃一惊，他对陪他一起来的一位记者说：“看来权威专家们的话也不一定都对。现在我终于能决定我今后该研究什么了。”他拉住记者的手说：“我要不惜一切努力去研究风以及在风中飞行的全部奥秘，总有一天我会向法尔芒讲清楚他的飞机为什么能上天。”这个年轻人后来果真走上了从事航空航天空气动力学研究的道路。他就是后来被尊称为“现代宇航科技之父”和“超音速飞行之父”的冯·卡门。

l881年5月1 1日，冯-卡门出生于布达佩斯的一个犹太人家庭。他父亲莫里斯·卡门是一位著名的教育学教授，母亲也出身于书香门第。在冯·卡门6岁时的一天晚上，冯·卡门的表哥出了一道题：“15 X 15等于多少?”冯·卡门边玩边答：“225。”二哥接着问：“924×826等于多少?”冯·卡门头也没抬一下说：“763224。”全家人都发出了惊叹声。冯·卡门的父亲却不以为然地说：“你们是串通好了在演戏吧!小宝贝，难道你还能心算出来18876 X 18876等于多少吗?”冯·卡门只思索了一会儿就说出了正确答案：“356303376。”大家欢呼着把冯·卡门抱了起来。但父亲却对他的超常的运算能力感到担忧，怕他将来变成一个畸形发展的人。不久，在父亲的干预下，冯·卡门便和各种数学科目断绝来往，直到十几岁才重新开始学习数学。

1898年1 1月，16岁的冯-卡门进了皇家约瑟夫大学。冯·卡门在大学初期，就能够独立、专注地思考问题，往往沉浸于丰富多彩的科学思索中，把一切杂念都抛在脑后。在解决问题的思路理清之前，绝不肯从坐椅上站起来。

1906年，冯·卡门来到哥廷根大学深造。在那里，他跟随“现代空气动力学之父”普朗特教授研究材料力学，又和德国物理学家玻恩合作研究过晶体原子结构模型。两年后，他又去了巴黎大学学习。在巴黎，有一次，他陪女友去观看欧洲首次2公里飞行表演，就是在那里，他遇到了法尔芒。从那以后，他开始悉心研究空气动力学。不久后，他的老师普朗特邀请冯·卡门到格丁根大学去做他的助手，从事教学和研究工作。1912年，冯·卡门成为阿亨大学气动力研究所所长。他在那里工作了14年，在空气动力学方面取得许多重要突破，还为一些企业研制飞艇、全金属运输机，担任火箭顾问等。

1926年，冯·卡门移居美国，指导古根海姆空气动力实验室和加州理工大学第一个风洞的设计和建设。在任实验室主任期间，他归纳出钝体阻力理论，即著名的“卡门涡街”理论。这个理论大大改变了当时公认的气动力原则。他还提出了附面层控制的理论，1935年又提出了未来的超声速阻力的原则。1938年，冯·卡门指导美国进行第一次超声速风洞试验，发明了喷气助推起飞，使美国成为第一个在飞机上使用火箭助推器的国家。在他的指导下，加州理工大学一批航空工程师，包括他心爱的中国弟子钱学森开始搞喷气推进和液体燃料火箭，而且后来还成立了喷气推进实验室。该实验室是美国政府第一个从事远程导弹、空间探索的研究单位，有很多重要的研究成果。

第二次世界大战即将结束时，美国陆军航空队司令阿诺德将军请教冯·卡门教授，要他评价美国航空技术发展的现状，预测未来的发展，并就如何确保美国空军未来的领先地位提出建}义。德国投降后，以冯·卡门少将为首的美国空军顾问团，率领有关火箭方面的科学家，专程赴德国“参观考察访问”。他们考察了隐蔽在一片松林中的一个德国空军的秘密研究所，它由纳粹空军头子戈林直接领导。拥有50多座建筑，设有研究导弹、飞机引擎的成套仪器设备。大战期间，有成千的科学家和技术人员在这里从事工作。这里写出的秘密研究报告就有300万份之多，重达1500吨。他们详细地察看了德国的研究设备，分析了技术成果。又前往哥廷根、亚琛和慕尼黑等地调查。在哥廷根，审讯了包括冯·卡门过去的老师普朗特在内的有关人员。正巧，前佩内明德火箭基地的400名德国火箭方面的工程师和技术人员也逃到这里。“顾问团”对这些人又进行了审讯。通过审讯，顾问团获得了一项惊人的秘密：德国已经着手研制一种可达到美国纽约的3000英里射程的火箭。德国人的火箭、导弹计划远远走在美国的前面。

通过这次调查，冯·卡门摸清了德国火箭技术的水平，返回美国后，先写出一份《我们在何处》的考察报告，对比了美、德两国在战争期问的科技发展，并指出美国已有可能研制射程达9600公里的导弹。接着，冯·卡门又拿出了名为《通向新地平线》的第二份报告。该报告包括25位作者的32份分报告，主题涉及从空气动力、飞机设计到炸药、末端弹道等。《通向新地平线》报告的主要观点是“科学是掌握制空权的基础”。报告强调，要成为航空大国，没有一劳永逸的解决办法，只有不断地加强研究和发展，才能确保国家安全。

1963年2月18日上午，为了表彰冯·卡门对科学、技术和教育事业的杰出贡献，肯尼迪总统授予他美国第一枚科学勋章。按计划，肯尼迪总统要亲自给冯·卡门颁发勋章。当总统及其随从一到，来自世界各地的友人就向授勋地点涌去。当时的冯·卡门已有82岁，并患有严重的关节炎，当他气喘吁吁地登上领奖台的最后一级台阶时，踉跄了一下，差一点摔倒在地上。给他颁奖的肯尼迪总统忙跑过去扶住了他。冯·卡门对肯尼迪总统说：“谢谢总统先生，物体下跌时并不需要助推力，只有上升时才需要……”授勋之后仅仅过了两个多月，冯·卡门就在亚琛病逝了。

智慧人生

冯·卡门是20世纪最伟大的科学家之一。他在一生艰苦研究的基础上，对航空航天技术的发展有过很多重要的预见，后来都一一成为现实，例如超声速飞行、火箭、远程导弹、全天候飞行、卫星等。

宇航分类

太空工业

太空工业(Space Industry)开发和利用太空资源的生产部门。大致分为三类。1．信息，包括气象、地球资源、海洋观测、通信、导航定位、遥控技术等。2．材料，包括对地面材料进行零重力处理；对月球、火星及其他天体资源进行开采、冶炼、加工，然后供空间和地面使用。3．能量，建立太阳能发电站，把太阳能通过微波、激光等输送到地球上。另外，还可以在空间处理或储存核废物。一旦太空工业发展起来，其增长速度将呈指数上升，即在太空建立自复制工厂，当第一次复制完成后，能使原有的太空工业总能力翻一翻，具有很大的投资收益。太空工业是从全新的资源中创造全新的、地球上不能生产的产品，如优质大型单晶体、高强度晶体、复合材料、泡沫金属、高纯度生物和药物制品等。太空将成为采矿、冶金、化工、材料制造等工业部门的新基地。美国预计，在21世纪太空工业将成为工业部门中年收入增长最快的部门之一，到2000年其空间工业的总收入每年可达数百亿美元。

空间工业化

空间工业化(Space Industrialization)人类在空间进行大规模、多种类的工业生产和其他经济、科研等活动。活动分为四类：采掘业为第一类(初级)活动，加工业为第二类活动，服务业(包括运输、通信、金融等)为第三类活动，科研、体育、教育等为第四类活动。最初的太空活动的主要目的是科学研究．属于第四类活动。60年代开始，将空间技术用于气象观测、通信卫星等第三类活动，其经济效益日益明显。随着空间开采、加工、建筑等第一、二类活动的开展，空间将走向工业化。空间工业化在经济上可以解决地球上的一些难题，如解决能源短缺、自然资源减少、环境恶化等，从而产生极大的经济效益。美国预测，到2010年，空间工业将为美国提供380万个新就业机会，3—12%的美国劳动力将在空间工业化创造的岗位上就业，产生400亿美元的税收。在政治、军事方面，空间工业化将极大地提高一个国家的综合国力。另外，它还能满足人类日益提高的生活要求，如太空居住、太空旅行等。目前，除美、俄、欧、日等航天技术发达国家积极开展太空工业化活动外，一些第三世界国家，如中国、巴西、印度也在参与这项活动。到2l世纪空间工业化活动将更大规模开展。

太空科学

太空科学(Space Science)亦称空间科学。有广义与狭义之分，广义的太空科学系指一切涉及太空的科学，包括太空技术科学、太空应用科学和太空基础科学；狭义的太空科学主要指利用太空飞行器研究宇宙空间的物理、天文、化学和生命等自然现象及其规律的科学。其主要内容包括：太空物理学、太空天文学、太空化学、太空地质学和空间生命科学。太空科学的发展使人类对地球周围环境及变化规律和机制有更加深入和全面的了解，对探索宇宙、生命的起源、演化等一些科学的基本问题提供帮助。同时，也将不断促进太空应用技术的更快发展，开拓新的应用领域。

太空企业

太空企业(Space Enterprise)从事与太空活动有关的生产、流通、服务性活动的独立核算经济单位。目前有四种：卫星通信企业、航天运输企业、遥感企业、微重力材料加工企业。到21世纪太空企业将包括三类：1．在地球上从事保障性活动的企业，包括经营航天器的发射、发射场地商业服务及轨道服务(如维修、通信、跟踪等)的企业，以及为未来太空教学、旅行、科研提供地面保障的企业。2．市场在地球上的企业，如卫星通信，主要是将电子邮件、电视广播等电子信息从地球的一个点传到另一点；为汽车、舰船、飞机提供导航、碰撞警告、紧急定位等信息；为地面上研究人员、企业领导人与空中的，实验室和工厂进行联系。卫星遥感企业则对遥感资料进行管理、处理、销售和发行。3．市场在太空的企业，这种企业将是在地球之外建立起自给自足的经济，其工业或农业产品不依靠地球供应，生产、流通主要在太空进行。太空企业是太空开发活动和航天技术不断发展、完善的产物。在现阶段，由于太空活动风险大、耗资多、周期长，建立太空企业主要由国家进行。随着太空工业化的展开和空间活动成本的降低。以及一些国家推行鼓励、扶持私人企业参加航天活动的政策，太空企业将得到广泛的发展。

宇航设施

太空实验室

太空实验室(Spacelab)人类在太空或以太空为基地建立的用于科学实验的飞行器或永久性基地。目前这类实验室都是半永久性的，如前苏联的“礼炮”号空间站、“和平”号空间站、美国的“天空实验室”和欧洲的“太空实验室”。它们一般容纳4 6人，宇航员在太空工作时间不到一年。主要进行天体物理、航天医学、生物学、天文学、材料科学、工艺科学和生命科学方面的实验(如：太阳观测、地面观测、金属冶炼等)。今后人类还将发展可容纳10人，居住1年的太空实验室。至于建造容纳50人并可住10年以上的太空实验室以及在月球和其他星球上建立永久性的太空实验室，则是未来的事。

太空基地

太空基地(Space Base)人类在太空建立的活动中心。主要包括空间站、太空港、月球基地、火星基地。它的发展大致要经过以下几个阶段：近地空间站一远地空间站一近地初级太空港一近地全能太空港一月球轨道太空港一初级月球基地一全能月球基地一火星基地。这些基地的作用各不相同，空间站用作科学实验、观测、通信；太空港用作太空运输的中转站，用于供来往飞船的停留、补给、维修和发射；永久性月球基地用于建立工厂、医院、学校，以及作为开发其他星球的踏板。美国计划将在90年代发展空间站，90年代后期建立初级太空港，20lO年建立全能太空港，21世纪20年代建立月球基地，30年代建立火星基地。参见：空间站、太空实验室、月球基地。

太空港

空间客货运输的转运站，到21世纪，近地太空港、月球太空港和火星太空港将建成，并形成一个完整的航天运输网络。届时将有巡天飞船常年巡回飞行，又有转运飞船像驳船一样在太空港与巡天飞船之间接送货物和人员。太空港根据任务的需要由若干个舱体组合而成。它的主要作用是：1．将成为转运飞船和在轨机动飞行器存放、补充燃料、修理、供应、维护和发射的基地。2．将是来往乘员和设备的交通枢纽站。3．为太空科学研究和开发利用月球、火星资源提供永久性基地。太空港建成，将使人类超越地球的空间和资源限制，开拓天疆，在科学和经济上具有不可估量的价值。目前，主要有美国在计划研究建立太空港。

空间站

又称太空站、航天站、轨道站。绕地球运行的载人或接受宇航员巡访的大型组件式航天器。通常包括对接舱、气闸舱、轨道舱、生活舱、服务舱、专用设备舱及太阳能电池翼等部分，装有完善的通讯、计算、数据处理及生活设备。用途：1．作为探索、开发诸如月球和其他行星的前哨基地；2．作为利用太空的特殊环境进行天文观测，大地测量和勘测地球资源的场所；3．作为开展医学、生物学研究和发展新工艺、新技术的场所：4．作为军事侦察和试验、发射航天武器或航天器的基地；5．作为人们在空间长期居住、开展航天活动和开发太空资源的场所。世界上第一个空间站是前苏联于1971年4月19日发射的“礼炮一l号”。1986年2月20日，它又发射了拥有6个对接舱的“和平号”空间站。美国于1973年5月14日发射了“太空实验室”*，它于1979年7月坠毁。此后，美国再没有发射空间站。欧洲航天局的“空间实验室”是1983年11月由美国“哥伦比亚”号航天飞机送上太空的。到1992年初，发射成功的空间站共有10个。

月球基地

太空基地’的一种，人类在月球上建立的从事科研、生产、生活及其他太空活动的中心。建立的目的：1．利用太空环境研究月球、地球的起源和演变；2．在微生物遗传工程、封闭环境下生命保障系统及大尺度人造生物圈等方面进行试验和研制；3．开发和利用月球资源，开办月球企业，发展太空工业；4．为人们进行太空旅游和其他商业活动提供场所。美国计划从90年代起，分两步建造月球基地。第一步用20年时间建立月球前口肖站，第二步再用lo年左右的时间将前哨站升级，使之成为永久住人的月球基地。参见：中国地月空间计划。

太空城市

太空城市随着宇航技术的发展，为人类在太空中生存提供了光明的前景。因此，不少城市建筑学家和生物学家认为，借助于航天技术，可以在太空中建立起一个人类新的生活环境，这就是太空城市。根据这一设想，太空城市不仅能够使人类避兔在地球上的各种污染所带来的危害，而且可以创造更适合人类生存的理想的环境。

太空农场

太空农场（Space Farm），学名受控生态生保系统（Controlled Ecological Life Support System, CELSS），就是在太空依靠繁殖绿色植物（蔬菜、藻类等）就地解决航天员所需的食物、氧气和水等最基本物资的供应问题，是实现未来长期载人星际旅行、移民的关键技术和难题之一。美国在未来航天计划中将“植物在密封太空舱内进行长期实验”列为重点研究项目。为了实现2018年重返月球和2033年载人登陆火星的宏伟计划，由约翰逊航天中心牵头，NASA其它三个研究中心、部分军工企业、科研院所、大学以及研究中心等单位共同协作，目前使其太空农场进展得如火如荼。

太空采矿打印

不仅仅是为了星际航行才需要跨越宇宙空问。即使是顽同的太空航行反对者也承认，鉴于我们地球日益枯竭的原料储量，也必须采取一切措施寻找替代物。

马萨诸塞理工学院的天体物理学家托马斯·B·麦克寇德解释道： “太空采矿是可能的。铁、镍和其他金属可以在小行星上开采，然后运到地球上。在这方面没有什么解决不了的技术难题。”

据计算，每年从小行星上可获取价值1．4亿美元的金属。通过望远镜和光谱研究，人们早已知道，处在火星和木星间小行星带中有几颗小行星其主要是铁和其他金属组成的。

矿工必须在可以开采的小行星上安扎下来。他们用太阳能把金属融化铸成块状，再用飞船取走。一个立方公里体积的小行星物质可以满足地球上15年的铁消耗量，1250年的镍消耗量。太空开采是通往乌托邦的想象之旅?我不这么认为。工业领域总是按需批量生产。太空服的生产完全可以实现流水操作。太空先行者都能穿上合体的工作服。按照尺寸给每位宇航员定做太空服的日子一去不复返了。即使电视里的飞船“事业号”也不再是想象之物：20世纪70年代，美国总统杰拉尔德·福特曾经决定将一架20世纪80年代在卫星站和地球之间往返的可以重复使用的宇航飞机命名为“事业号”。

宇航辅助条件

宇航机器人

宇航计划者早就采用机器人了!他们知道，嵌入式技术的机器人可以成为舱内最重要的成员：它们比几个宇航员加起来的体重都要轻，强大的知识储存量；这位可靠的技术陪同人员不会生病，如果它间或感觉不舒服，自己会迅速地找到原因并加以解决；它不吃东西，也没有排泄物。

一个新的“宇航员”有望被载入花名册，它将协助人类首次登陆火星。据英国《每日邮报》8月16日报道，美国国家航空航天局(NASA)正在招募团队研发人形机器人，以协助宇航员进行火星任务。

NASA正在募集团队研发一款R5机器人，其将作为宇航员的助手，帮助宇航员在太空执行一系列任务，甚至是营救宇航员的生命。为了该项目，NASA正在举办一场名为“太空机器人技术挑战赛”(SpaceRobotics Challenge)，经费高达数百万美元。

NASA要求参加挑战赛的团队在虚拟环境中编程一个R5机器人，该机器人要具备校准通讯序列、修复破损太阳能电池板以及识别和修复栖息地漏洞的能力。虽然Nasa已经在地球机器人系统中利用液压技术研发出了这些先进技术，但是这些技术并不适用于零度以下温度和恶劣环境的行星表面，而R5机器人使用弹力技术取代了液压技术，解决了这些问题。

NASA百年挑战项目经理罗曼(MonsiRoman)表示：“精确和灵巧的机器人技术对支持宇航员来说是至关重要的，它能够处理通信延迟、用于太空飞行以及在火星和其他地方执行危险和复杂的任务。此外，NASA和我们的合作伙伴都相信，公众对此挑战很有兴趣，人们都期待看到新技术的诞生。”

每个团队研发的R5机器人都将要面临分析沙尘暴对火星栖息地损害后果的挑战。该项目于本月16日开始注册，资格赛将从9月中旬开始到11月中旬结束。此外，决赛将在12月公布，最终获奖者将于2017年6月底在美国休斯敦太空中心宣布。

运用该挑战产生的技术，机器人可以参加先驱任务，如选择着陆地点，在宇航员设置好栖息地前就早早达到目的地，甚至可以进行初步的科学研究。

航天推进技术

目前，人类用于航天发射的火箭主要都采用液体或者固体推进剂，也就是所谓的化学推进。但是化学推进剂的能量密度低，使得推进系统需要携带大量推进剂才能满足发射需求。从整个火箭的质量来看，一般情况下火箭所携带的推进剂要占到总质量的90%以上，而有效载荷的质量只占1%～1.5%。这就导致现代化学推进火箭的发射成本高昂，任务准备周期长，近地轨道的入轨成本在10000美元/千克～20000美元/千克；同步轨道的入轨成本在60000美元/千克～120000美元/千克。而且随着商业航天发射业务的剧增，对于有效载荷能力、发射成本和发射周期都有了新的要求。

同样因为化学推进剂的能量密度低，所以化学推进火箭的喷气速度已接近极限，比冲一般在200s～500s，必须有2级或者3级火箭持续加速才能将有效载荷送入轨道。而人类在未来设想的深空星际探测任务需要火箭的比冲达到10000s～3000000s，这将大大超过现有化学推进的性能极限，因此必须开始发展新型的航天推进技术。

推进方法

火箭发动机

喷气发动机

电磁加速器（离子推进器）

推进设备

质量投射器

虫洞

反重力

可能违背物理法则的推进系统

曲速引擎

阿库别瑞引擎

行星和大气发射

某些发射方法不采用火箭或以火箭为辅助设备，这些称为非火箭航天发射。

美国宇航计划

开拓天疆报告(Pioneering the Space Fron—tier)，是80年代中期美国航天委员会向美国国会和总统阐述未来50年内美国民用航天发展目标的建议书。报告分为一序三章，详细论述了美国制定航天目标的理论依据、当前及今后50年内技术基础、开展新的航天活动的科学价值和直接经济意义，既是美国民用航天计划的理论基础，也是美国向太空宣战的宣言书。报告认为：领导考察和开发天疆的事业，是21世纪美国的开拓使命，政府应该起到关键性的领导作用，积极支持和探索并推动关键技术的开发；通过政府和国会的通力合作，焕发美国人民的精神，确立民用航天活动的新目标，以期达到站在人类的前列迎接新的挑战，引导国家和民族的部分能量到地球以外去开拓天疆的目的。报告还分析了21世纪美国民用航天计划所产生的社会和经济效益，指出，新的航天汁划带动关键的科学和技术的进步可以转化为国家未来的经济实力和国家安全。在天疆开辟新的世界，不仅可以直接从太空企业获得利益，还可以刺激某些新兴工业的产生，其长远的经济意义更为巨大，对人类也会产生不可估价的影响。报告具体设想了21世纪美国民用航天计划，从促进科学发展、考察、勘探和定居太阳系、建立太空企业等多个方面，具体而现实地阐述了发展航天事业的应用范围和重大作用，展示了发展航天事业的．美好前景。报告对实施21世纪的航天计划的可行性进行了探讨，全面论述了太空技术的应用和发展方向，强调太空技术的重要性和国家在航天技术的开发上必须作出更大的努力。主张美国国家航天局(NASA)在研究与技术发展方面起关键性作用，以国家为核心继续鼓励发展空间商业化利用。报告提出美国发展航天事业的中期目标是把生产性工业扩展到太空，推动科学发展，保持美国技术的领先地位。并实施有效的科学计划，强调调动政府和私营企业的积极性，制定新的国家航天政策，积极谋求国际合作和美国国会对航天计划的支持，促进航天事业的发展。报告还估价了未来50年世界上社会、技术、经济和政治环境变化对美国的影响、美国经济发展的前景以及开拓天疆的步骤与费用，肯定开拓天疆的计划与美国的经济实力相适应，强调美国积极地领导开拓天疆事业将是一个惊人之举。美国在里根政府和布什政府期间实施的有关民用太空计划均是按照报告提出的基本构想制订的。