《空间科学技术》课件：探索宇宙的奥秘

空间科学技术探索宇宙的奥秘空间科学技术是人类探索宇宙奥秘的重要工具，它融合了天文学、物理学、工程技术等多个学科领域从古代人类仰望星空的好奇心开始，到现代载人航天和深空探测的辉煌成就，空间科学技术见证了人类文明的跨越式发展现代空间科学不仅帮助我们理解宇宙的起源和演化，还为人类提供了通信、导航、气象预报等重要服务随着技术的不断进步，人类正在逐步揭开宇宙的神秘面纱，从太阳系到系外行星，从暗物质到重力波，每一个发现都在重新定义我们对宇宙的认知什么是宇宙？宇宙的定义可观测宇宙观测极限宇宙是包含一切物质、能量、时间目前人类能够观测到的宇宙半径约由于光速有限和宇宙年龄约138亿和空间的总和，是我们能够观测和为465亿光年，包含超过2万亿个星年，我们只能观测到有限范围内的理解的最大尺度的物理实体系宇宙结构宇宙的真实大小可能远超我们的观测范围科学家通过宇宙微波背景辐射、超新星观测等方法，不断扩展着人类对宇宙边界的认知宇宙的起源假说奇点时期物质形成138亿年前，宇宙从一个密度和温度极高的奇点开始膨胀随着温度降低，基本粒子开始结合形成原子核和原子1234暴胀时期持续膨胀宇宙在极短时间内经历了指数级的快速膨胀，确定了基本物宇宙至今仍在膨胀，星系间距离不断增大理结构大爆炸理论得到了宇宙微波背景辐射、轻元素丰度分布等多种观测证据的支持，是目前最被广泛接受的宇宙起源模型宇宙的基本结构超星系团包含数千个星系团的巨大结构星系团由数百至数千个星系组成的引力束缚系统星系包含数千亿颗恒星的基本宇宙单元恒星系统恒星及其周围的行星、卫星等天体目前已发现超过1000亿个星系，它们通过重力相互作用形成了宇宙的大尺度结构这种层次化的组织方式展现了宇宙从微观到宏观的复杂性和有序性银河系与太阳系银河系规模太阳系位置银河系是一个直径约10万光年的螺旋星系，包含1000-2000亿颗太阳系位于银河系的猎户臂上，距离银河系中心约

2.6万光年恒星它由中央凸起、螺旋臂、银晕等主要结构组成，质量约为我们正以每秒220公里的速度绕银河系中心运行，完成一圈约需太阳质量的1万亿倍

2.25亿年银河系中心存在一个超大质量黑洞，被称为人马座A*，质量约为这个位置相对安全，避开了银河系中心的强辐射区域和螺旋臂的太阳的400万倍密集恒星区太阳系介绍太阳八大行星中心恒星，质量占太阳系总质量的按距离太阳远近分为类地行星和类木行

99.86%星小天体卫星系统包括小行星、彗星、流星体等各类天体超过200颗天然卫星环绕各行星运行太阳系形成于约46亿年前，通过引力作用维持着复杂而稳定的天体运动规律八大行星特色简述类地行星类木行星探索价值水星、金星、地球、火星具有固体表木星、土星、天王星、海王星主要由每颗行星都为科学研究提供独特价面和相对较小的体积地球是唯一已气体组成，体积庞大木星是太阳系值火星的气候演化、木星卫星的海知有生命的行星，火星被认为是最有最大的行星，土星以其美丽的光环系洋环境、土星环的形成机制等都是重希望发现生命痕迹的星球统著称要研究课题其他天体彗星、小行星、矮行星彗星小行星矮行星被称为脏雪球，主要分布在火星冥王星、谷神星主要由冰和尘埃和木星轨道之间等天体，具有行组成，接近太阳的小行星带，部星特征但未能清时形成壮观的彗分近地小行星对除轨道周围的其尾地球构成潜在威他天体胁分类演变国际天文学联合会2006年重新定义了行星概念，体现了科学认知的不断完善光年与天文距离单位

9.

464.

372.5万亿公里光年百万光年一光年等于光在真空中一年内传播的距离距离地球最近的恒星比邻星的距离仙女座星系距离银河系的距离光年是天文学中最常用的距离单位，它帮助我们理解宇宙的巨大尺度当我们观测遥远的星系时，实际上是在观察它们数百万年前的样子，这使得天文观测成为了一种时间旅行其他重要的天文距离单位还包括天文单位（AU）和秒差距（pc），它们在不同尺度的天文研究中发挥着重要作用宇宙的活力恒星诞生主序阶段在星云中，气体和尘埃在重力作用下聚恒星进入稳定的氢燃烧阶段，持续数十集，当温度和压力足够高时，核聚变反亿年向宇宙辐射光和热应开始，新的恒星诞生恒星死亡物质循环大质量恒星以超新星爆发结束生命，释恒星死亡释放的物质重新进入星际空放出重元素，为新一代恒星和行星的形间，开始新的恒星形成周期成提供原料宇宙是一个充满活力的动态系统，恒星的生老病死推动着物质和能量的永恒循环人类古代对宇宙的认识肉眼观测时代古人通过肉眼观测星空，记录天象变化，建立了最初的天文历法系统神话解释各个文明都创造了丰富的星座神话，用神话故事解释天象和宇宙现象简易仪器日晷、星盘、浑天仪等古代天文仪器的发明，提高了观测精度历法系统基于天文观测建立的农历、阳历等历法系统，指导农业生产和社会生活古代望远镜与伽利略的贡献年1609伽利略改进了荷兰人发明的望远镜，制造出放大倍数达20倍的天文望远镜月球观测首次详细观测月球表面，发现月球并非完美光滑的球体，而是布满环形山木星卫星发现木星的四颗大卫星，证明了不是所有天体都围绕地球运转日心说支持观测到金星的相位变化，为哥白尼的日心说提供了有力证据伽利略的望远镜观测开创了现代天文学的新纪元，将人类对宇宙的认识从哲学思辨转向实证观测近现代天文望远镜的发展光学望远镜时代从伽利略的折射望远镜到现代的反射望远镜，口径不断增大，分辨率和集光能力显著提升帕洛马山天文台的5米海尔望远镜曾是世界最大的光学望远镜，推动了20世纪天文学的重大发现射电天文学兴起20世纪30年代射电天文学的诞生，使人类能够听到宇宙的声音射电望远镜发现了脉冲星、类星体等重要天体，极大扩展了我们对宇宙的认知范围空间望远镜革命哈勃空间望远镜等摆脱了大气干扰，提供了前所未有的清晰宇宙图像詹姆斯·韦伯空间望远镜等新一代设备，正在揭示更遥远、更古老的宇宙秘密中国古代航天梦想火药与火箭起源嫦娥奔月传说中国是火药的发明国，早在宋代就出现了最原始的火箭《武经中国古代神话中嫦娥奔月的故事，反映了古人对月球和太空的美总要》等古籍详细记录了火箭、神火飞鸦等早期火箭武器的好想象这种文化传统影响深远，现代中国的探月工程也以嫦制造和使用方法娥命名这些早期火箭虽然简陋，但已经体现了火箭推进的基本原理，为古人通过神话表达了对天空的向往，这种精神追求成为推动航天现代航天技术奠定了概念基础事业发展的重要文化动力现代火箭与喷气推进原理牛顿第三定律火箭基于作用力与反作用力原理工作，向后喷射高速气体产生向前的推力推进系统液体、固体、混合推进剂燃烧产生高温高压气体，通过喷管加速获得推力多级结构现代火箭采用多级设计，分阶段抛弃已用完燃料的级段，提高载荷能力广泛应用运载火箭是发射卫星、载人飞船、深空探测器的唯一工具卫星是如何飞行的轨道力学原理卫星在地球重力场中运行，当向心力等于重力时，卫星保持稳定轨道运行轨道速度低地球轨道卫星速度约

7.8公里/秒，地球同步轨道卫星约

3.1公里/秒斯普特尼克一号1957年苏联发射的第一颗人造卫星，开启了人类空间时代的序幕轨道类型包括低地球轨道、地球同步轨道、极地轨道等不同类型，适用于不同任务卫星应用举例通信卫星导航定位遥感监测提供电话、电视、互联网等GPS、北斗、格洛纳斯等导对地观测卫星监测地球环境通信服务，是现代信息社会航卫星系统为全球提供精确变化、自然灾害、城市发展的重要基础设施地球同步的位置和时间信息广泛应等高分辨率遥感图像为科轨道通信卫星能够覆盖地球用于交通运输、农业、测量学研究、资源管理、环境保表面的大片区域，实现远距等领域，改变了现代生活方护提供重要数据支持离通信式气象预报气象卫星实时监测大气环流、云层分布、台风路径等为天气预报、气候研究、灾害预警提供关键观测数据，保障人民生命财产安全太空飞船基础载人飞船无人飞船技术发展专门设计用于载送航天员往返太空的用于货物运输、科学实验、深空探测从早期的单人单舱到现代的多人多航天器具备生命保障系统、返回等任务的无人航天器设计更加灵舱，从一次性使用到可重复使用，太舱、推进系统等关键组件著名的载活，可以执行长期任务典型代表包空飞船技术不断进步新一代载人飞人飞船包括苏联的联盟号、美国的阿括货运飞船、行星探测器、深空探测船具有更高的安全性、舒适性和经济波罗号和中国的神舟系列器等性太空站简介国际空间站中国天宫空间站国际空间站是人类历史上最大的太空实验室，由美国、俄罗斯、天宫空间站是中国独立自主建设的载人空间站，采用模块化设欧洲、日本、加拿大等国家和地区合作建设自2000年开始有计，包括核心舱、实验舱等组件具备长期载人飞行能力，支持人常驻，为微重力科学研究提供了独特的实验环境多种科学实验和技术验证空间站每90分钟绕地球一圈，为长期太空探索和火星任务提供天宫空间站的建成标志着中国成为世界第三个独立掌握载人航天了宝贵的技术验证平台技术的国家，为人类和平利用太空做出了重要贡献太空望远镜的意义哈勃成就精确测定宇宙年龄，发现暗能量多波段观测2可见光、红外、紫外全方位宇宙探测摆脱大气干扰3获得地面望远镜无法达到的观测精度深空观测优势观测最遥远星系，研究宇宙早期状态太空望远镜革命性地改变了天文学研究，哈勃空间望远镜服役30多年来拍摄了超过150万张天体照片，詹姆斯·韦伯空间望远镜等新一代设备正在继续扩展人类的宇宙视野探月工程里程碑阿波罗计划1969年阿波罗11号首次载人登月，尼尔·阿姆斯特朗成为踏上月球的第一人嫦娥一号2007年中国首个月球探测器，实现了绕月飞行和月球全球影像获取嫦娥三号2013年实现中国首次月球软着陆，玉兔号月球车成功开展巡视探测嫦娥五号2020年成功实现月球采样返回，为月球科学研究提供了珍贵样本火星探测现状好奇号成就天问一号突破水资源发现生命探索美国好奇号火星车自2012年登中国首次火星探测任务一次性多项探测证实火星极地存在水毅力号火星车采集岩石样本寻陆火星以来，发现了古代河床实现绕、落、巡三大目标，祝冰，地下可能有液态水存在，找古代微生物痕迹，为解答火和湖泊证据，证实火星曾经具融号火星车成功着陆并开展科为未来载人火星任务提供了重星是否曾经存在生命这一根本备支持生命的环境条件学探测要资源问题提供线索太阳系边界与深空探测深空通信挑战突破太阳系边界随着距离增加，信号传输延迟和功率衰减成旅行者计划启动2012年旅行者1号成为首个飞出太阳系的人为主要技术挑战旅行者探测器的核动力系1977年美国发射旅行者1号和2号探测器，造物体，进入星际空间它穿越了日球层统和精密的深空通信网络确保了长期任务的利用行星排列的百年一遇机会，依次探测木顶，开始探测星际介质的性质，为人类提供成功，为未来更远距离的深空探测提供了宝星、土星、天王星、海王星这两个探测器了太阳系外环境的直接观测数据贵经验提供了外太阳系行星的第一手详细资料，发现了许多新的卫星和环系统开普勒与类地行星探索-22b宜居带发现开普勒-22b位于其恒星的宜居带内，表面温度适宜液态水存在，被称为超级地球开普勒任务开普勒太空望远镜通过凌星法发现了数千颗系外行星，彻底改变了我们对行星分布的认知探索意义寻找类地行星为研究生命起源和宇宙中生命的普遍性提供了重要线索和研究目标未来任务詹姆斯·韦伯太空望远镜等下一代设备将能够分析系外行星大气成分，寻找生命迹象太空生命探索地外生命可能性费米悖论思考宇宙中存在数万亿颗恒星和行星，统计学上生命出现的概率很物理学家费米提出如果宇宙中存在大量智慧文明，为什么我们高科学家在极端环境中发现的嗜极生物证明，生命的适应性远至今没有发现任何证据？这个悖论引发了对文明发展规律和宇宙超想象中生命分布的深入思考木卫

二、土卫二等冰卫星的地下海洋为微生物生存提供了可能的可能的解释包括智慧文明极其稀少、文明自我毁灭、技术发展环境，成为搜寻地外生命的重点目标方向不同、或者我们的探测能力还不足以发现它们空间科学与技术3S全球定位地理信息系统Global PositioningSystem，提供精确Geographic InformationSystem，空的位置和时间信息间数据管理和分析平台•导航服务•数据集成遥感技术•精密测量•空间分析Remote Sensing，通过卫星和航空器技术融合•同步授时•决策支持获取地球表面信息3S技术相互结合，形成完整的空间信•环境监测息服务体系•资源调查广泛应用于城市规划、农业管理、环•灾害评估境保护等领域1地球的宇宙环境宇宙射线太阳风地磁场保护来自深空的高能粒子流，主太阳持续向外释放的带电粒地球磁场就像一个巨大的保要由质子和重原子核组成子流，速度可达每秒数百公护盾，偏转太阳风和宇宙射地球大气层为我们提供了天里太阳风与地球磁场相互线，保护地球生命免受有害然的辐射防护，但在太空中作用，形成美丽的极光现辐射火星因为缺乏强磁航天器和航天员直接暴露在象，但也可能干扰卫星通信场，大气层逐渐被太阳风剥宇宙射线之下和电力系统蚀航天影响太空环境对航天器电子设备和航天员健康都构成挑战，需要专门的辐射防护措施和生命保障系统长期太空飞行任务必须考虑这些环境因素的累积影响空间对人类生理的挑战失重效应长期失重导致骨密度下降、肌肉萎缩、心血管功能改变航天员需要每天进行

2.5小时的体育锻炼来对抗这些不利影响辐射危害空间辐射增加癌症风险，影响中枢神经系统和免疫系统国际空间站的辐射剂量是地面的数百倍，长期深空任务面临更大挑战心理压力封闭环境、与世隔绝、工作压力等因素影响航天员心理健康心理支持和娱乐活动对维持队员士气至关重要医学研究空间医学实验为地面医疗提供新见解，如骨质疏松治疗、平衡功能研究等这些研究成果惠及地面患者群体空间科学前沿重力波爱因斯坦预言1915年广义相对论预测重力波存在，但直到2015年才首次被直接探测到突破LIGO美国激光干涉重力波天文台首次探测到黑洞合并产生的重力波信号天琴计划中国计划在太空建设重力波探测器，避免地面振动干扰，提高探测精度新天文学重力波天文学开启了研究宇宙的全新窗口，与传统光学天文学互补暗物质和暗能量68%27%暗能量比例暗物质占比推动宇宙加速膨胀的神秘力量不发光但产生引力效应的未知物质5%普通物质我们能直接观测到的恒星、行星等物质令人震惊的是，我们熟悉的普通物质只占宇宙总质量能量的5%，其余95%都是神秘的暗物质和暗能量中国的悟空暗物质探测卫星、地下的锦屏暗物质实验室等项目正在努力揭开这些宇宙最大谜团的面纱暗物质和暗能量的研究可能引发物理学的革命性突破空间天文观测进展紫金山天文台射电望远镜FAST中国现代天文学的摇篮，在小行世界最大单口径射电望远镜，直星发现、恒星物理研究等领域贡径500米，被誉为中国天眼已献突出近年来在暗物质探测、发现超过660颗脉冲星，在快速太阳物理观测方面取得重要进射电暴研究、星际分子探测等领展，为中国空间科学发展奠定了域取得突破性成果坚实基础重大发现成果中国天文设备在脉冲星计时阵列、引力波探测、系外行星搜寻等前沿领域做出重要贡献这些发现不仅提升了中国在国际天文界的地位，也为人类认识宇宙增添了新的篇章载人航天的中国步伐神舟系列突破从神舟一号到神舟十六号，中国载人航天事业实现了从无人试验到载人飞行、从短期飞行到长期驻留的跨越每次任务都验证和完善了关键技术，为空间站建设奠定了坚实基础航天员培养体系建立了完善的航天员选拔、训练、保障体系从杨利伟首飞到三人乘组长期驻留，中国航天员展现了优秀的专业素养和科研能力，成为中国载人航天事业的骄傲在轨科学实验航天员在空间站开展生命科学、材料科学、基础物理等多领域实验这些研究不仅推进了科学认知，也为未来深空探索和地面应用提供了重要数据和经验北斗导航系统全球服务覆盖全球的精密定位导航服务三代系统2从区域覆盖到全球组网的技术跨越高精度定位米级、分米级、厘米级多层次精度服务中国创新独特的混合星座设计和短报文通信功能北斗系统是中国自主建设的全球卫星导航系统，与GPS、格洛纳斯、伽利略并称为全球四大导航系统北斗独有的短报文通信功能在抗震救灾、海洋渔业等领域发挥了重要作用，体现了中国航天技术的创新特色嫦娥工程与月球科学月背首月壤采样科学发现未来规划landing嫦娥四号实现人类首次月球嫦娥五号成功采集并返回2公月壤分析发现新的月球矿嫦娥七号、八号将建立国际背面软着陆，揭开了月球最斤月球样品，为月球科学研物，揭示了月球形成和演化月球科研站，为载人登月奠神秘一面的面纱究提供珍贵实物的重要信息定基础天问一号火星探测一次任务三大目标天问一号在首次火星探测任务中同时实现绕、落、巡三大技术目标，创造了世界航天史上的壮举复杂工程实现克服火星大气稀薄、通信延迟、着陆环境复杂等技术难题，成功实现精确着陆祝融号科学探测火星车在乌托邦平原开展地质勘探，发现古代水活动证据，为火星环境演化研究提供重要数据重要科学成果发现火星地下水冰、分析火星土壤成分、研究火星气候变化，为未来载人火星任务积累经验天宫空间站最新进展模块化建设完成前沿科学研究天宫空间站由天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱组成T字形天宫空间站开展生命科学、材料科学、微重力物理、天文观测等构型，总质量约100吨每个舱段都具有独特的功能和实验设多领域实验生命科学研究包括细胞培养、植物生长、蛋白质结备，形成了完整的太空实验室系统晶等项目，为医学和生物技术发展提供新途径空间站具备长期载人飞行能力，可同时支持3名航天员长期在轨材料科学实验利用微重力环境制备高质量晶体和合金，这些成果工作生活，为大规模空间科学实验提供了理想平台有望在半导体、航空航天等领域获得应用空间微重力实验典型案例细胞生长研究蛋白质结晶新材料制备微重力环境下细胞生长模式太空中蛋白质结晶质量更微重力条件下可以制备地面发生显著变化，三维细胞培高、缺陷更少，有助于理解无法获得的特殊材料，如高养更接近体内环境这些研蛋白质结构和功能高质量性能合金、超导材料、光学究为癌症治疗、组织工程、的蛋白质晶体为新药研发和晶体等这些材料在电子、再生医学提供了新的研究方疾病治疗机制研究提供重要通信、能源等高技术领域具向和治疗方法工具有重要应用价值燃烧科学太空燃烧实验揭示了清洁燃烧的新机制，为提高燃烧效率、减少污染物排放提供科学依据这些研究成果可用于改进地面发动机和工业燃烧设备空间太阳能电站设想能源优势明显太空中太阳能密度是地面的8-10倍，不受天气和昼夜影响，可实现24小时连续发电理论上单个太空电站功率可达数GW，相当于大型核电站技术挑战巨大需要解决大型结构在轨组装、无线电力传输、超大功率太阳能电池板等关键技术电站重量可达数万吨，需要多次发射和复杂的太空建设无线输电技术通过微波或激光将电能从太空传输到地面，转换效率需达到50%以上才具有经济性地面接收站占地面积较大，需要解决安全性问题中国相关研究中国已启动相关技术验证,计划2030年建设兆瓦级试验电站多个研究院所在无线传能、轻质太阳能电池、空间结构等方面取得进展，为未来实用化奠定基础空间垃圾挑战垃圾来源碰撞风险失效卫星、火箭残骸、航天器碎片等形即使米粒大小的碎片也能击穿航天器外1成数百万个空间垃圾，以每秒数公里速壳，造成严重损坏国际空间站经常需2度运行，对在轨航天器构成严重威胁要机动避让空间垃圾预防措施清除技术4新设计的航天器采用主动离轨技术，任激光清除、机械臂捕获、电动绳系拖拽务结束后自动坠入大气层烧毁，减少新等多种方案正在研发,但技术复杂、成本垃圾产生高昂。