航空航天工程学结合了航空工程学和航天工程学,为人类带来了梦想与希望。
自古以来,人类就喜欢仰望天空,对茫茫宇宙充满了无限的憧憬,幻想着遥远的天外究竟是怎样的景象。宇宙就是人类未做完的梦。
例如,日本的和歌集《百人一首》中就有咏月歌,西方也以不同的女神代表不同时期的月亮,如巴比伦尼亚的丰产之神伊西塔代表满月、古希腊的狩猎女神狄安娜代表弯月、冥间女神赫卡忒代表冥月。
航空航天工程学实际上是在航空工程学和航天工程学这两种不同的学科体系的基础上建立起来的。虽然航空工程学的研究对象是飞机等航空器在大气层内的飞行,航天工程学的研究对象是火箭和人工卫星等装置的宇宙飞行,但这两个学科都与飞行有着紧密的联系,具有共同的发展历程,因此现在通常将这两个学科统称为航空航天工程学。可以说人类几乎从未停止过对于在天空中飞翔的向往。
航天飞行始于牛顿
宇宙研究涉及高等数学、物理学、化学以及力学和开发设计等各个领域的知识。在此基础上,航天员实际飞行还需要精通航天和与航天相关的技术。
艾萨克·牛顿的《自然哲学的数学原理》的出版,开启了人类太空之旅的理论研究。
18至19世纪时期,欧拉和约瑟夫·路易·拉格朗日等数学家奠定了经典力学的数学基础。由此,太空之旅已经具备了理论上的可能性,但直到20世纪下半叶,人类才真正飞向了“科幻小说之父”儒勒·凡尔纳所描写的宇宙空间。
20世纪初,康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基对火箭推进技术的理论研究,以及20世纪20年代由罗伯特·戈达德所主持的液体燃料火箭的开发,极大地推动了航空航天工程学的发展。
太空探索与技术应用的时代
1961年,苏联宇航员尤里·加加林驾驶“东方一号”宇宙飞船完成了人类历史上的第一次航天飞行。在宇宙开发的竞争中滞后于苏联的美国也开始了对宇宙飞船的研发(阿波罗计划),1969年,阿波罗11号飞船成功在月球表面着陆。此后,预算的削减使美国中止了载人航天计划,开始将发展重点转向了以“旅行者计划”为首的行星探测、“航天飞机计划”等可重复使用的宇宙飞船的研发。此外,宇宙开发竞争迎来了协同合作的时代,各国开始参与“国际空间站”的建造和使用。
航天技术的发展,为我们的日常生活带来了诸多便利。例如天气预报、卫星广播、卫星定位系统等,具体的技术应用则包括地面监控摄像头等。
航空航天工程学领域
入门者须知
哈勃空间望远镜
世界上唯一的宇宙光学望远镜,1990年,美国利用“发现”号航天飞机将其送至地球轨道。该望远镜因宇宙膨胀思想的提出者美国天文学家哈勃的姓氏而得名。它主要搭载了广角行星照相机2(WFPC-2)、太空望远镜成像摄谱仪、近红外线照相机、暗天体照相机等测量仪器。
哈勃空间望远镜在证明木星和土星的极光、黑洞的存在等方面做出了巨大的贡献。
GPS
Globalpositioning system 的缩写,即全球定位系统。美国研制建立的一种卫星定位系统,原本是为了满足军事需求,目前已经被广泛应用于汽车导航系统和移动终端等民生用途。
GPS 工作卫星的使用寿命大约是7年半,因此每年都需要发射新的卫星。
GPS 卫星轨道概念图
旅行者计划
1997年,NASA(美国航空航天局)发射了两枚命名为“旅行者号”的无人行星探测器,利用该探测器进行的太阳系外行星探测计划称为“旅行者计划”。旅行者号探测器不仅发现了各大行星的新卫星和土卫六的大气层,还搭载了名为“地球之音”的唱片(VoyagerGolden Record,金唱片),收录了试图向外星智慧生命传达的地球信息。
借力飞行
也称重力助推或重力转向,具体指利用天体的万有引力改变飞行器的运行方向或速度。由于该技术可以在几乎不消耗燃料的情况下改变飞行器的轨道,不仅能够节约燃料,还是将探测器等飞行器送出太阳系的常用方法。日本的“隼鸟号(Hayabusa)”和“隼鸟2号”探测器都曾使用过该技术。
借力飞行
毛利卫
1948年生于日本北海道。曾应征过宇宙开发事业团(现宇宙航空研究开发机构)组织的首次宇航员选拔。1985年与向井千秋和土井隆雄一起被选为宇航员。
1992年9月,毛利卫以技术专家的身份搭乘“奋进号”航天飞机,成为日本首位进入太空的宇航员。
2002年,毛利卫就任日本科学未来馆第一任馆长,开始致力于培养肩负着日本未来科技发展使命的新人才。
隼鸟号
小行星探测器,开发名称为第20号科学卫星MUSES-C。2003年5月,由 ISAS(日本宇航科学研究所)在日本鹿儿岛的内之浦町成功发射。
隼鸟号的主要任务是进行离子发动机的应用试验,探测一颗名为“丝川(Iokawa)”的与地球具有相似轨道的小行星,对其进行采样并带回样本。2005年,隼鸟号在登陆丝川号小行星完成采样后坠入大气层,完成了它的使命。
从隼鸟号分离出的密封舱最终降落在了澳大利亚的伍梅拉沙漠,从中发现了岩石物质微粒。隼鸟号是全球首个在地球重力圈外的天体固体表面着陆,并完成了取样返回的探测器。
该探测器所采集到的样本,对研究丝川号小行星的起源和进化历程做出了巨大的贡献。