高中地球科學/近期太空探索
- 概述空間站和太空梭的歷史。
- 描述太空探索的最新進展。
雖然美國在 1970 年代初期繼續執行登月任務，但蘇聯有另一個目標：建造一個空間站。空間站是一艘大型宇宙飛船，人類可以在上面生活很長時間。
蘇聯於 1971 年 4 月 19 日將第一個空間站禮炮 1 號送入軌道。最初，空間站沒有人員。三位宇航員於 1971 年 6 月 7 日登上空間站，並在那裡停留了 22 天。不幸的是，宇航員在返回地球時不幸遇難，返回艙在仍然處於太空真空狀態時失去壓力。禮炮 1 號於 1971 年 10 月 11 日脫離軌道，並因與地球大氣層摩擦而燃燒殆盡。
從 1971 年到 1982 年，蘇聯總共將七個禮炮空間站送入軌道。圖 23.25 顯示了最後一個禮炮 7 號。這些都是臨時空間站，發射後由人類機組人員居住。三個禮炮空間站用於秘密軍事目的。其他的用於研究太空生活的難題，以及進行天文學、生物學和地球科學方面的各種實驗。禮炮 6 號和禮炮 7 號各有 2 個對介面，因此一個機組人員可以將宇宙飛船對接到一端，然後替換機組人員可以對接到另一端。
美國在這個時期只發射了一個空間站——天空實驗室，如圖 23.26 所示。天空實驗室的設計基於阿波羅登月任務中使用的土星 5 號火箭的一部分。天空實驗室於 1973 年 5 月發射到近地軌道。它在脫離地球大氣層時受損，但在第一批機組人員到達時進行了維修。
.jpg)
三組人員訪問了天空實驗室，所有人員都在它進入軌道的第一年內訪問。天空實驗室用於研究長時間留在太空的影響。它也被用於研究太陽。天空實驗室於 1979 年再入地球大氣層，比預期的時間要早。它非常大，以至於天空實驗室在再入地球大氣層時並沒有完全燃燒。結果，它的碎片散落在很大一片區域，包括澳大利亞西部的部分地區。新聞標題寫著：“天空實驗室正在墜落！”
第一個為超長期使用而設計的空間站是和平號空間站（圖 23.27）。和平號是一個模組化空間站，這意味著它被分成幾個獨立的部分發射，並在太空中組裝起來。和平號的核心部分由蘇聯於 1986 年發射。和平號在 1986 年至 1996 年的幾個階段中組裝完成。和平號保持著太空持續存在時間最長的記錄。幾乎 10 年來，一直有人在和平號上連續生活，只差了 8 天就達到了 10 年的目標。和平號於 2001 年脫離軌道；它落入太平洋，正如俄羅斯人計劃的那樣。
和平號是美國和俄羅斯（蘇聯解體後）在重大太空專案中首次合作。1993 年，美國副總統阿爾·戈爾和俄羅斯總理維克多·切爾諾梅爾金宣佈了建造一個新空間站的計劃，該空間站後來被稱為國際空間站或 ISS。他們還同意美國將在未來幾年參與和平號專案。太空梭將參與向和平號運送物資和人員的任務。此外，美國宇航員將在和平號上生活數月。與俄羅斯的這種合作使美國能夠從俄羅斯在長時間太空飛行方面的經驗中學習。圖 23.28 顯示了與美國太空梭連線的和平號。
早期的太空探索是由美國和蘇聯之間的競爭驅動的。然而，自從冷戰結束以來，太空技術和太空探索從合作精神中獲益。國際空間站，如圖 23.29 所示，是美國（NASA）、俄羅斯（RKA）、日本（JAXA）、加拿大（CSA）和幾個歐洲國家（ESA）的航天機構之間的一個聯合專案。巴西航天局也做出了貢獻。
國際空間站是一個非常大的空間站，擁有許多不同的部分。它仍在組裝。第一部分於 1997 年發射。第一批機組人員於 2000 年到達，此後空間站一直有人員在上面工作。美國太空梭運送大多數物資和裝置到空間站，而俄羅斯聯盟號宇宙飛船運送人員。空間站的主要目的是進行科學研究，特別是在生物學、醫學和物理學方面。
NASA 用於阿波羅任務的宇宙飛船非常成功，但它們非常昂貴，無法運載太多貨物，而且只能使用一次。在阿波羅登月任務結束後，NASA 想要一種新型太空飛行器。他們希望這種飛行器可重複使用，並且能夠運載大型裝置，例如衛星、太空望遠鏡或空間站的部分。最終誕生的飛行器是一種太空梭，如圖 23.30 所示。雖然這種飛行器有時被稱為“太空梭”，但美國實際上擁有五架可工作的太空梭——哥倫比亞號、挑戰者號、發現號、亞特蘭蒂斯號和奮進號。蘇聯建造了類似的太空梭，稱為暴風雪號，但它從未執行過載人任務。
太空梭有三個主要部分，儘管你可能最熟悉軌道器，它就是像飛機一樣有翅膀的那一部分。當航天飛機發射時，軌道器連線到一個巨大的燃料箱，裡面裝有液體燃料。在燃料箱的兩側是兩個大型助推火箭。
圖 23.31 展示了正常太空梭任務的各個階段。發射地點位於佛羅里達州的卡納維拉爾角。助推火箭提供額外的動力將軌道器送出地球大氣層。完成任務後，它們會降落到海中，並被回收再次使用。燃料箱耗盡後，也會脫落，但在大氣層中燃燒殆盡。一旦進入太空，軌道器可用於釋放裝置，例如衛星或國際空間站的補給，修復現有裝置，例如哈勃太空望遠鏡，或直接在軌道器上進行實驗。
軌道器完成任務後，會重新進入地球大氣層。當它穿過大氣層時，軌道器的外部會加熱到超過 1,500°C。火箭在重入時不會點火，因此太空梭更像滑翔機而不是普通飛機。飛行員必須非常精確地操控太空梭，才能降落在跑道上。太空梭通常降落在佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心，或加州的埃德華茲空軍基地。然而，如果這兩個著陸點的天氣狀況不佳，太空梭可以降落在世界各地的多個備用著陸點。之後，它可以被裝載到一架噴氣式飛機上，運回佛羅里達州。
太空梭災難
[edit | edit source]太空梭計劃非常成功。太空梭使許多科學發現和太空中的其他偉大成就成為可能。然而，該計劃也發生了一些悲慘的災難。
從 1981 年首次飛行到 1985 年底，太空梭進行了 20 多次成功的任務，包括許多衛星發射和科學研究任務。1986 年 1 月 28 日，挑戰者號航天飛機發射升空，載有 7 名機組人員，其中包括克麗斯塔·麥考利夫，她將成為第一位進入太空的老師。發射 73 秒後，挑戰者號開始解體，大部分在空中解體，如圖 23.32 所示。機上的 7 名機組人員全部遇難。後來的研究表明，問題出在 O 形環上，這是助推火箭中的一小部分。由於這場災難，太空梭任務被暫停，而美國宇航局則研究了這個問題，並提高了太空梭的安全效能。
太空梭任務於 1988 年再次開始，之後連續 87 次任務沒有發生重大事故。然而，在 2003 年 1 月 16 日哥倫比亞號太空梭起飛時，一塊小的絕緣泡沫從燃料箱上脫落。泡沫撞上了軌道器的機翼，損壞了一塊位於太空梭機翼前緣的瓦片。這些瓦片是隔熱瓦，可以保護太空梭免受極高溫度的侵蝕。2003 年 2 月 3 日，哥倫比亞號返回地球時，無法承受高溫，並解體。太空梭的碎片在美國南部各地被發現，尤其是在德克薩斯州。與挑戰者號災難一樣，所有 7 名機組人員全部遇難。
哥倫比亞號災難後，太空梭任務被暫停兩年多，而美國宇航局則致力於解決這個問題。災難發生一年後，布什總統宣佈太空梭計劃將於 2010 年結束，並將由新的載人探索飛船取代。該載人探索飛船，現在被稱為獵戶座，預計將於 2014 年投入使用。所有剩餘的太空梭任務都將前往國際空間站，除了對哈勃太空望遠鏡的一次維修任務。
最近的太空任務
[edit | edit source]自 1986 年挑戰者號災難以來，美國宇航局一直專注於無人駕駛任務，除了國際空間站任務。這些最近的任務比載人任務花費更低，危險性更小，但仍然提供了大量寶貴的資訊。
地球科學衛星
[edit | edit source]近年來，美國宇航局和其他國家/地區的航天機構已經發射了數十顆衛星，用於收集有關地球系統現狀的資料。例如，美國宇航局的陸地衛星拍攝了地球大陸和沿海地區的詳細影像，例如圖 23.33 中的影像。其他衛星研究海洋、大氣、極地冰蓋和其他地球系統。這些資料有助於我們監測氣候變化，並瞭解地球系統如何相互影響。
|
|
| 圖 23.33：上面的兩幅影像來自美國宇航局的陸地衛星 7 號。左側顯示的是 2000 年 4 月 26 日的新奧爾良和龐恰特雷恩湖。右側顯示的是 2005 年 8 月 30 日卡特里娜颶風襲擊該市後不久的同一區域。城市中深藍色的區域被水淹沒。 | |
太空望遠鏡
[edit | edit source]一些最偉大的天文學發現，以及最偉大的圖片，比如圖 23.34 中的圖片，都來自哈勃太空望遠鏡。哈勃是第一個進入太空的望遠鏡。它於 1990 年由發現號太空梭送入軌道。從那時起，已有四次太空梭任務前往哈勃，進行維修和升級。最後一次對哈勃進行維修的任務計劃在 2008 年進行。
美國宇航局還在太空中發射了其他幾個望遠鏡，包括斯皮策太空望遠鏡、錢德拉 X 射線天文臺和康普頓伽馬射線天文臺。迄今為止最大、最先進的太空望遠鏡，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，計劃於 2013 年發射進入軌道。詹姆斯·韋伯將取代哈勃太空望遠鏡，並將具有更強大的觀測遠處天體的能力。其他國家/地區，包括俄羅斯、日本和幾個歐洲國家/地區，也已經將太空望遠鏡送入軌道。
太陽系探測
[edit | edit source]近年來，我們一直在探索太陽系。1997 年，火星探路者號漫遊車降落在火星上。漫遊車就像一個帶輪子的宇宙飛船（圖 23.35）。它可以在月球或行星表面移動，並從不同位置收集資料。2004 年，又有兩輛漫遊車——勇氣號和機遇號——降落在火星上，截至 2008 年，它們仍在向地球傳送資料。令人驚訝的是，這兩輛漫遊車最初的設計只是為了探索火星 90 天——現在它們的工作時間已經超過了預期壽命的 15 倍。目前有幾艘宇宙飛船圍繞火星執行，研究其表面和稀薄的大氣層。
卡西尼號任務自 2004 年以來一直在研究土星，包括它的環和衛星。由歐洲航天局建造的惠更斯號探測器正在研究土星的衛星土衛六。土衛六具有一些支援生命所需的條件。
一些任務正在研究我們太陽系中的較小天體。深撞擊號探測器被派去撞擊一顆彗星，一路收集資料。當它撞擊彗星時，撞擊產生了塵埃雲。太空望遠鏡和地球上的望遠鏡都在撞擊後收集資料。星塵號任務收集了來自另一顆彗星的微小塵埃顆粒。目前正在進行的任務是研究一些較大的小行星和冥王星。對太陽系中較小天體的研究可能有助於我們瞭解太陽系的形成過程。
未來任務
[edit | edit source]2004 年，布什總統提出了“太空探索新願景”。他設定了到 2020 年再次將人類送上月球的目標。然而，與阿波羅任務不同的是，布什提出到達月球僅僅是開始。他還提出在月球上建立一個永久性空間站，可以作為人類前往火星及更遠地方的任務基地。他宣佈，在國際空間站建成後（大約 2010 年），太空梭計劃將退役。一種新的太空飛行器，現在被稱為獵戶座，將被開發出來，用於將人類送入太空。
布什總統還解釋說，我們將透過合作方式實現這些目標，更像國際空間站，而不是太空競賽期間的任務。他說：“我們將邀請其他國家/地區共同分享這個新探索時代的挑戰和機遇。我今天概述的願景是一段旅程，而不是一場競賽，我呼籲其他國家/地區以合作和友誼的精神加入我們這段旅程。”與此同時，中國、俄羅斯和日本都表示，他們正計劃將人類送上月球，並建立自己的月球基地。
課程摘要
[edit | edit source]- 蘇聯在 1971 年至 1982 年間將 7 個禮炮號空間站送入軌道。
- 美國第一個空間站是天空實驗室。天空實驗室從 1973 年執行到 1979 年。
- 蘇聯（後來的俄羅斯）空間站和平號是第一個模組化空間站。俄羅斯和美國宇航員都曾在和平號上生活過。
- 國際空間站是一個巨大的專案，涉及許多國家。它仍在組裝中。
- 太空梭是美國宇航員進入太空的可重複使用飛行器。太空梭像火箭一樣發射，像滑翔機一樣降落。
- 太空梭計劃發生過兩次重大災難——1986年的挑戰者號災難和2003年的哥倫比亞號災難。在這兩次事故中，航天器被摧毀，7名機組人員喪生。
- 最近的太空任務主要使用小型航天器，例如衛星和太空探測器，沒有載人。
- 美國計劃在 2020 年之前再次將人類送上月球，在月球上建立基地，然後將人類送往火星。
- 哪個空間站是由美國單獨建造和發射的？
- 和平號空間站運行了多少年？
- 哪個空間站是第一個涉及多個國家合作的空間站？
- 描述太空梭與阿波羅任務中使用的航天器相比，有哪些改進？
- 說出美國建造的五個功能完備的太空梭。其中哪些被毀壞？
- 描述哥倫比亞號太空梭災難，包括其原因。
- 描述兩個最近或正在進行的太空任務。
- 太空梭更像火箭還是飛機？解釋你的答案。
- 軌道器
- 太空梭的主要部分，有像飛機一樣的機翼。
- 太空梭
- 一種可重複使用的航天器，能夠運載大型裝置或空間站的部件。
- 空間站
- 太空中的一種大型航天器，人類可以在上面長期居住。
- 迄今為止，共有 22 人在太空任務中喪生。僅在兩次太空梭災難中，就有 14 人喪生。然而，太空探索和研究帶來了許多重大發現和新技術。你認為將人送入太空是否值得冒險？為什麼或為什麼不？
- 在過去幾年中，私營公司一直在開發可以將人送入太空的運載工具和發射系統。
- 你能想到這類飛行器的哪些應用？私營公司建造和發射航天器有哪些優缺點？