航空航天基本知识

 我们知道，人类的家园是地球，而地球的外面覆盖着一层大气，如果没有水和大气以及适宜的温度和环境，生物是很难生的。

通常，在人们的眼中，“天”很高，要想冲出厚厚的大气层，进入太空非常非常困难。其实，与地球相比，大气层是很稀薄的。 人们知道，地球的直径大约为12700千米，而大气层的厚度只有100 -800千米。如果将地球比作一个苹果的话，那么，我们可以把大气层看成是苹果的皮，可这层“苹果皮”本身却是变化多端的。 比如最贴近地球表面的一层，叫作对流层，其高度从海平面起一直到大约11000米止，其顶界是随纬度、季节等情况而变化的，在赤道地区为17000米，在中纬度地区(如北京、天津地区)为11000米，在地球两极地区则为7000-8000米。

对流层的主要特点是，空气温度随着高度的增加而降低，因而又称为变温层，平均而言高度每上升1000米，气温约下降6.5℃。与此同时，气压也随高度的增加而降低。由于地球引力的作用，在 5500米的高度范围内，包含了大气总量的一半，而整个对流层，大约占了全部大气质量的四分之三。 由于几乎所有的水蒸气都集中在这一层大气内，再加上大量的微粒，因而，这里也是风云变幻最为剧烈的一层。从大约11000米的高度起，直到30500米左右，其大气温度基本不变，平均保持在-56.5℃上下，因此被称为同温层(实际情况是：在25000米以下，气温随高度的升高而上升。在同温层顶，气温约升至-43至-33℃)。同温层的气温之所以具有这样的特点，是因为该层大气离地球表面较远，受地面温度的影响较小，并且其顶部存在着臭氧，能够直接吸收太阳的辐射热等。 同温层所包含的空气质量大约占整个大气的四分之一弱。在这一层大气内，没有上下对流，只有水平方向的风，所以又叫作平流层。另外，该层大气几乎不存在水蒸气，基本上没有云、雾、雨、雹等气象变化的现象，这对飞行器的平稳飞行是非常有利的。不过，由于空气密度很小，飞机在这一高度层上又不适宜机动飞行。

人类的航空活动差不多都集中在对流层和同温层内。为了保证飞机和发动机的工作效率，飞机飞行的高度一般不超过30千米的界限。 从30千米到80-100千米的高度范围，被称为中间层。这一层空气的特点是：以 45千米为界，温度先升后降。由于大量的臭氧存在，其气温先由同温层顶的-33℃提高到17至40℃左右;从45千米起，随着高度的升高，气温又开始下降，一直降低到-65.5℃至-113℃。 中间层的空气已经很稀薄了，其空气质量约只占整个大气层的1/3000。在80千米高度上，空气的密度只有地面的五万分之一;而在100千米高度上，空气的密度仅为地面的一千万分之八。由于空气非常稀薄，并且气体开始呈现电离现象，因此，人们一般把飞行高度达到80—100千米的飞行器，看成是不依靠大气飞行的航天器。

1967年10月，美国试飞员约瑟夫·沃尔克驾驶X-15A火箭飞机飞出了 7297千米/小时的惊人速度，创造了有人驾驶飞机速度的世界纪录。而且，他还曾多次飞到了80千米以上的高空，成为美国第一个“驾驶飞机的宇航员”。按照美国航空航天局规定：飞行高度超过80千米的飞行员即可称为宇航员. 在中间层之上直至800千米高空的范围，称作电离层。其特点是：含有大量的带正电或负电的离子，空气具有导电性。并且，其温度随高度的增大而迅速升高，在200千米高度时，气温可达400℃。所以，这里又被人们叫作“暖层”。

在电离层顶端之外，便是大气的最外层——“散逸层”了。由于地球引力的减弱，气体分子和等离子体与地球已若即若离。 电离层和散逸层的空气密度极低，对太空飞行器的影响已很小，因此，人类大部分的航天活动都是在它们之内(或之外)进的。

航空与航天的区别: 航空与航天是人们经常接触的两个技术名词，两者虽然仅一字之差，却被称为两大技术门类，这是为什么呢? 您稍加注意即可发现，航空技术主要是研制军用飞机、民用飞机及吸气发动机，航天技术主要是研制无人航天器、载人航天器、运载火箭和导弹武器，最能集中体现两者成果的是航空器和航天器。从航空器与航天器的重大区别上即可看出两个技术领域的显著差异。

第一，飞行环境不同。所有航空器都是在稠密大气层中飞行的，其工作高度有限。现代飞机最大飞行高度也就是距离地面30多千米。即使以后飞机上升高度提高，它也离不开稠密大气层。而航天器冲出稠密大气层后，要在近于真空的宇宙空间以类似自然天体的运动规律飞行，其运行轨道的近地点高度至少也在100千米以上。对在运行中的航天器来讲，还要研究太空飞行境。

第二，动力装置不同。航空器都应用吸气发动机提供推力，吸收空气中的氧气作氧化剂，本身只携带燃烧剂。而航天器其发射和运行都应用火箭发动机提供推力，既带燃烧剂又带氧化剂。吸气发动机离开空气就无法工作，而火箭发动机离开空气则阻力减小有效推力更大。吸气发动机包括燃烧剂箱在内都可随飞机多次使用，而发射航天器的运载火箭都是一次性使用。虽然航天飞机的固体助推器经过回收可以重复使用20次，其轨道器液体火箭发动机可以重复使用50次，但与航空器使用的吸气发动机比较起来，使用次数仍然是很少的。吸气发动机所用的燃烧剂仅为航空汽油和航空煤油，而火箭发动机所用的推进剂却是多种多样的，既有液体的，也有固体的，还有固液型的。

第三，飞行速度不同。现代飞机最快速度也就是音速的三倍多，且是军用飞机。至于目前正在使用的客机，都是以亚音速飞行的。而航天器为了不致坠地，都是以非常高的速度在太空运行的。如在距地面600千米高的圆形轨道上运行的航天器，其速度是音速的22倍。所有航天器正常运行时都处于失重状态，若长期载人会使人产生失重生理效应，并影响健康。正因如此，航天员与飞机驾驶员比较起来，其选拔和训练要严格得多。一般人买票即可坐飞机，而花重金到太空遨游的人还必须通过专门培训。

第四，工作时限不同。无论是军用还是民用飞机，最大航程计约2万千米，最长飞行时间不超过一昼夜。其活动范围和工作时间都很有限，主要用于军事和交通运输。虽然通用轻型飞机应用广泛，但每次活动范围相对更小。而航天器在轨道上可持续工作非常长时间，如目前仍在使用的联盟TM号载人飞船，可与空间站对接后在太空运行数月之久。再如航天飞机，能在轨道上飞行7-30天，约1.5小时即可围绕地球飞行一周。载人航天器运行时间最长的当属和平号空间站，它在太空飞行了整整15个年头。至于无人航天器，如各种应用卫星，一般都在绕地轨道上工作多年。有的深空探测器，如先驱者10号，已在太空飞行了32年，正在飞出太阳系向银河系遨游。航空器的优点是能多次重复使用，而航天器除航天飞机外，只能一次性使用，载人宇宙飞船也不例外。

第五，升降方式不同。飞机的升空是从起飞线开始滑跑到离开地面，加速爬升到安全高度为止的运动过程。它返回地面降落时只要经过下滑和着陆即可。只有个别飞机如英国的“鹞”型战斗机采用发动机喷口转向的方式使飞机能够垂直起落，但机身并未竖起，仍处于水平位置。而至今为止的航天器发射，包括地面和海上的发射，顶部装着航天器的运载火箭都是垂直腾空的。在完成发射过程中，运载火箭要按程序掉头转向和逐级脱离，最终将航天器送入预定轨道运行。有的航天器发射，中间还要经过多次变轨，情况更为复杂。航天飞机虽然也能施放航天器，但它本身亦是垂直发射升空的。至于返回式航天器，其回归地面必须经历离轨、过渡、再入和着陆四个阶段，远比飞机降落困难。航空器的起飞、飞行和降落与航天器的发射、运行和返回，虽然都离不开地面中心的指挥，但两者的地面设施和保障系统及其工作性能与内容也是大有区别的。