载人航天中的化学论文

载人航天中的化学论文

　　2011年9月21日21时16分，我怀着激动的心情观看了“天宫一号”在酒泉卫星发射中心发射的全部过程。 作文400字
　　天宫一号奔向太空，这是中国迈出意义非凡的一大步，同时向全世界证明了中国实现了全面载人航天飞行能力。
　　根据了解，“天宫一号”只是中国首个目标飞行器，但并不时真正意义上的空间站，它只是一个雏形——一个重8T多的空间实验室的雏形。“天宫一号”设计寿命期为两年，在这两年内，我国将会发射神舟八号、神舟九号、神舟十号宇宙飞船，分别与“天宫一号”完成空间使命的交会对接。掌握空间交会对接的技术，为建造空间实验室积累经验，为建造中国的空间站打牢基础。“天宫一号”升空入轨后，发射中心将在11月1日发射神八。
　　“天宫一号”为中国构建太空空间站打下了坚实的基础，下面我们回顾一下国际太空站的历程。
　　1983年，美国总统里根首先提出了国际空间站的新构想；1993年，经过将近十余年的探索和无数次重新设计，终于开始着手建设太空站；1994年，准备阶段开始，在此期间，航天飞机与“和平”号太空航进行了9次对接；1998年，国际空间站的第一组件曙光号功能货舱发射成功；2001年，命运号实验舱与团结号节点舱对接，探索号气闸舱安装完成；2008年，哥伦布号实验舱安装完成，开始安装希望号实验舱；2010年，安装宁静号节点舱。
　　从国际太空站的艰辛历程可以看出，“天宫一号”只是中国向太空迈出的一小步，但是这绝对是意义巨大的一步。
　　中国载人航天是深谋远虑的，每一步都经过无数次计算和测试，确保万无一失。目前主要分三步走：第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；第二步，突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术，并利用载人飞船技术改装、发射一个空间实验室；第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。可以说，中国航天技术是借鉴前人的技术而自主创新的。中国航天现有八大系统：航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、监控通讯系统、着落场系统、空间实验室系统。这八大系统是中国经过长达10多年的摸索才总结出来的，从中可以看出中国载人航天发展的辛酸。
　　人类目前载人航天活动的最终目的，是将实验室搬上太空，利用太空微重力高真空的独特环境，开展地面无法进行的生命科学、材料科学等实验，从而为人类造福。太空生命科学试验不仅可以进行植物育种、发明新的药物，而且在半导体、特种材料、天文学、对地观测等方面的好处更是不一而足。
　　因此，以神七天宫一号为起点的中国空间站建设，将为中国的科学研究带来更大的舞台。周建平说过：只有对人自身在太空中的行为和能力有了清晰的认识，才可能具备更好的开发能力。目前，中国正在朝着这样的目标进发。中国的空间站将成为世界科学发展进步的平台，为人类探索做出贡献。
　　作为一名高二化学生的我，同时作为一个中国人，看到中国在载人航天事业技术上的发展，我感到无比的自豪和骄傲。“保剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。”在以后的日子里，我将更加努力学习科学知识，将来要为祖国的繁荣建设作出巨大的贡献

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　　我的航天技术论文
　　在过去半年中，接连发生了两起重大航天灾难。尽管人们备感痛惜，但这些挫折并不能阻挡人类进军宇宙的步伐。 既然航天活动风险如此之大，为什么人类依然不放弃进军宇宙的梦想呢？从长期看，地球的资源是有限的，人类总有一天必须走出自己的摇篮；从中短期看，航天活动可带来巨大回报，是一个国家综合国力的体现。进军宇宙是人类现在和未来的一项伟大事业。于是，载人航天成为现代航天科技发展的重中之重……

　　中国载人航天技术的发展及其意义和前景

　　俗话说，天高任鸟飞，海阔凭鱼跃。人类在漫长的社会进步中不断扩展自身的生存空间。现在，人类的活动范围已经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层空间，再从大气层空间到太空的逐步发展过程。人类活动范围的每一次扩展都是一次伟大的飞跃。

　　中国载人航天技术的发展历程
　　很久以前，人类就有飞出地球、探知太空奥秘和开发宇宙资源的愿望，我国古代的不少神话故事便是突出的反映。最典型的是流传很广的嫦娥奔月，它描写一个叫嫦娥的美女，偷吃了丈夫后羿从西王母那里求得的长生不老的仙药后，身体变轻飘到月亮上去了。
　　历史上第一个试验乘火箭上天的人是15世纪中国官员万户。1945年，美国学者基姆在他的《火箭与喷气发动机》一书中是这样描写的：万户先做了两个大风筝，并排装在一把椅子的两边。然后，他在椅子下面捆绑了47支当时能买到的最大火箭。准备完毕后，万户坐在椅子当中，然后命其仆人点燃火箭。但是，随着一声巨响，他消失在火焰和烟雾中，人类首次火箭飞行尝试没有成功。
　　20世纪80年代，改革开放带来了航天技术的春天。1986年，中共中央、国务院批准了《高技术研究发展计划("863"计划)纲要》，把航天技术列为我国高技术研究发展的重点之一。"863"高技术航天领域的专家们对我国航天技术未来的发展进行了深入细致的论证，描绘了我国航天技术发展前景的蓝图，一致认为载人航天是我国继人造卫星工程之后合乎逻辑的下一步发展目标。1992年1月，党中央批准研制载人飞船工程。自此，我国的载人航天工程正式启动。1999年11月20日，我国成功发射了自行研制的第一艘飞船神舟1号，成为世界上第三个发射宇宙飞船的国家。此后，又分别把神舟2、3和4号送上九重天。在1992年开始研制载人飞船之前，我国"863"高技术航天领域的专家们曾为研制哪种运输器这个问题进行了几年的研究，即对从研制飞船起步和越过载人飞船直接发展航天飞机的多种技术方案进行了充分的论证、比较和分析，甚至还激烈地争论过。
　　2003年10月15日圆了万户的梦，因为在这一天中国人民期待已久的第一艘载人飞船神舟5号顺利升空并安全返回，实现了中华千年飞天的理想。它也打破了美国和苏联.俄罗斯在这一领域的多年垄断格局，成为世界第3个独立自主研制并发射载人航天器的国家，这对世界载人航天事业的发展和振兴中华会起到巨大的推动作用。

　　载人航天的重大意义
　　历史上，远洋航海技术的兴起，导致了世界贸易的发展、世界市场的开辟和近代科学的一系列成就，开始了一个"全球文明"的时代。当代载人航天技术的问世，则使人类走出地球这一摇篮而到达太空，开始了一个"空间文明"的新时代。
　　载人航天是航天技术向更高阶段的发展。不过，由于载人航天技术与无人航天技术有很大差别，主要反映在安全性、复杂性和成本高三个方面，所以从1961年第一名航天员上天到现在，它还没有表现出特别明显的用途。但从可以预见的未来来看，人类现在面临的资源枯竭、人口急增等急待解决的几大问题，只有通过开放地球、扩大人类生存空间来解决。即使在当代，发展载人航天也可以起到以下作用：
　　首先，它能体现一个国家综合国力和提升国际威望。因为航天技术的水平与成就是一个国家经济、科学和技术实力的综合反映。载人航天是航天技术向更高阶段的发展，载人航天的突破--用本国的载人航天器将航天员送入太空并安全返回，更是一个国家综合国力强大的标志。发展载人航天需要依靠先进的技术水平、发达的工业基础和雄厚的经济实力。迄今为止，只有俄罗斯和美国实现了载人航天。其他拥有一定航天技术基础或较强经济实力的国家，虽欲染指载人航天，但因力不从心，所以只能求助于与他们合作，出钱出资，用俄、美的载人航天器将本国航天员送上太空，以图逐步加入世界"载人航天俱乐部"。邓小平同志曾经说过：没有两弹一星就没有中国的大国地位。所以，我国航天员进入太空，也能像上世纪六七十年代我国拥有"两弹一星"那样，引起全世界注视，提高我国的国际地位，振奋民族精神，增强全民的凝聚力。
　　其次，它能体现现代科技多个领域的成就，同时又给现代科技各个领域提出新的发展需求，从而可以大大促进整个科技的发展，并将为培养和造就航天科技人才作贡献。例如，就载人航天器本身的研制和运行而言，它对通信、遥感、推进、测量、材料、计算机、系统工程、自动控制、环境控制和生命保障等技术提出了很高的要求，因而大大推动了这些技术的进步。
　　再有，载人航天的发展能促进太空资源的开发，为地球上的人类造福。载人航天器所处的高远位置和微重力等特殊环境，可为科研提供一个理想的实验场所，它在推动生命科学与生物技术、微重力科学与应用等许多方面正发挥着重要作用，并有望在一些前沿学科上取得突破性进展，为人类带来巨大的效益。一些国家已经在太空制药、太空育种和太空材料加工等领域取得显著成果，并准备建造太空工厂，其效率和效益不可限量。
　　另外，地球能容纳的人口是有限的，大约80亿～110亿，因此有些人已经开始研究向外空移民的方案；地球上的能源也日益紧张，那么是否可以到别的星球开发矿藏呢？这是科学家所关心的一个问题，而且不是天方夜潭，因为类似载人登月等许多过去可望不可及的神话和幻想，如今有不少都变成了现实。
　　最后，载人航天具有巨大的军事潜力。使用载人航天器可以很好地完成侦察和监视任务；灵活部署、修理和组装大型军用卫星；安全而连续地指挥和控制地面军事力量；还能作为特殊武器的试验场。例如，早在1965年12月，美国双子星座7号飞船上的航天员就曾用红外遥感器监视和跟踪了1枚潜射导弹的发射，所获信息比潜艇上的观察人员报告的还要快。第1次、2次海湾战期间，和平号空间站与"国际空间站"上的航天员对战区进行了大量观测活动，取得了许多有用的信息。
　　中国载人航天的未来前景
　　中国载人航天将实施"三步走"的发展战略。中国在成功发射4艘无人试验飞船的基础上，已将首位航天员送入太空，实现了载人航天的历史性突破。然而这只是第一步。第二步除继续用载人飞船进行对地观测和空间试验外，重点包括出舱活动、空间交会对接试验和发射长期自主飞行、短期有人照料的空间实验室，以尽早建成完整配套的空间工程大系统，解决一定规模的空间应用问题。第三步是建造更大的长期有人照料的空间站。

【论文欣赏】载人登火运载器核热推进末级总体方案初步研究

本文由北京宇航系统工程研究所的李平岐 陈海鹏 洪刚 朱永泉 王建明等共同编撰，发表于《国际太空2017年09期》，以下为文章内容：

对于载人登火任务，若采用常规的化学推进技术，地球出发规模达到1400t，而采用核热推进技术后，地球出发规模可降低至800t。核热推进技术以其高比冲、大推力的独特性能，具有化学推进火箭无法比拟的深空探测优势。

前期火星探测任务表明，火星上具备生命存在的某些必备条件，尤其是水的发现，极大地激发了人类在火星上寻找生命的热情，成为近年来国际深空探测的热点。核热推进技术以其高比冲、大推力的独特性能，具有化学推进技术无法比拟的深空探测优势。而且随着核动力技术的逐步发展，核能源安全问题可以得到可靠解决。为了确保我国在未来深空探测领域能够发挥更大作用，发展核热推进技术具有重大意义。

本文以载人登火任务为背景，对核热推进运载器的总体方案进行了初步研究，对核热推进运载器的总体性能、设计特点以及关键技术进行了初步分析和梳理。

随着人类对火星的了解越来越多，美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局都已开始进行移民火星的科学研究，有望在21世纪30年代中期实现人类登陆火星的梦想。其中，美国国家航空航天局早在1988年就已经开始了载人火星探测的方案研究，并形成了载人登陆火星的“火星参考任务”（DRM）系列方案。

美国《载人火星 探索 设计参考体系5.0》（Mars DRA5.0），基本确立了“重型运载火箭+核动力末级”的总体方案，其基本方案为采用7发重型火箭将核热推进级、载人/货运有效载荷送至近地轨道，之后在近地轨道分别对接成2发货运火箭和1发载人火箭，由核热推进运送至火星并返回地球。早期，美国载人火星探测方案曾提到过利用传统化学推进系统进行载人登火，地球出发规模高达1400t。核热推进系统的结构与化学火箭发动机类似，推力也大致相当，但比冲提高到900 950s左右，地球出发规模得以降低到800t。Mars DRA5.0方案总体上采取“人货分运、物先人后”的原则。

美国Mars DRA5.0载人登火方案

参考美国Mars DRA5.0方案，我国也开展了初步的载人登火任务规划，按照地球出发规模700 800t考虑，共进行7 8次发射，在近地轨道进行5次对接。

1）由重型运载火箭1将核热推进奔火变轨级1送入近地轨道；

2）由重型运载火箭2将核热推进奔火变轨级2送入近地轨道；

3）由重型运载火箭3将轨道舱1（火星着陆下降器和上升器）送入近地轨道；

4）由重型运载火箭4将轨道舱2（火星表面生活舱和火星车）送入近地轨道；

5）由重型运载火箭5将核热推进奔火变轨级3送入近地轨道；

6）由重型运载火箭6将液氢贮箱送入近地轨道；

7）由重型运载火箭7将载人摆渡航天器（含飞船2）送入近地轨道；

8）由载人火箭将载人飞船1送入近地轨道。

将核热推进奔火变轨级1和轨道舱1在近地轨道对接，由核热推进奔火变轨级1将轨道舱1送入奔火轨道，轨道舱1与奔火变轨级1分离，之后由轨道舱1制动、气动减速将下降器和上升器送入环火轨道，下降器和上升器着陆火星表面；将核热推进奔火变轨级2和轨道舱2在近地轨道对接，由核热推进奔火变轨级2将轨道舱2送入奔火轨道，轨道舱2与奔火变轨级2分离，之后由轨道舱2制动、气动减速将火星表面生活舱和火星车送入环火轨道，等待后续入轨的载人飞船；将热推进奔火变轨级3、液氢贮箱、载人摆渡航天器和载人飞船1依次在近地轨道对接，航天员由载人飞船进入摆渡飞行器，由核热奔火变轨级3（和液氢贮箱）将载人摆渡航天器和载人飞船送入奔火轨道、环火轨道。载人摆渡飞行器和先入轨的火星表面生活舱在环火轨道对接，生活舱与摆渡飞行器其他部分分离，之后生活舱和飞船2降落在火星表面。

完成使命后，航天员通过火星上升级和飞船2进入火星轨道，并与载人摆渡航天器其他部分和载人飞船1进行交会对接。返回地球之前，航天员进入载人飞船1，与摆渡航天器分离，直接再入地球。

核热推进动力系统主要包括核热发动机和增压输送系统两部分组成。目前，国内核热发动机还处于概念设计阶段，核热发动机在原理上与以液氢为工质的膨胀循环发动机类似，不同的是将氢氧燃烧室替换成核反应堆。液氢推进剂从贮箱出来经泵增压后首先进入发动机冷却夹套冷却推力室后气化，之后分为两路：一路直接进入推力室，另一路吹动涡轮后进入推力室。进入推力室的氢气经核反应堆加热之后，变成高温高压气体经喷管高速喷出，形成推力。

核热发动机概念原理图

（1）核热发动机比冲

发动机比冲正比于推进介质温度的开方，反比于分子量的开方。由于材料及传热的限制，燃烧室温度一般不会超过3000 4000K，因此降低分子量是提高比冲的有效途径。

化学燃烧产物的分子量一般都超过10，而核热发动机可以直接将低分子量介质加热至高温，从而产生高比冲。目前而言，核热发动机最好的工作介质是液氢，既有良好的冷却和膨胀做功能力，又是分子量最小的单质。为最大化提高介质温度，核燃料棒技术水平对比冲性能起着决定性作用，是核热发动机最为核心的关键技术，也是我国在核热发动机领域与国外差距较大的技术。

目前，俄罗斯在该领域处于最高水平，其三元碳化物技术可将氢加热到2800K以上，从而实现发动机比冲超过900s。在发动机面积比为300和喷管效率为0.96的情况下，随着氢加热温度的提高，比冲相应发生变化。

（2）核热发动机推质比

核热发动机由于有核反应堆及相关屏蔽层的存在，推质比低于常规的液体火箭发动机，但远大于电推进发动机，美国核热发动机推质比设计值最高达到4.8，一般取在3 4之间。核热发动机推质比取决于与核相关的组件，如反应堆、反射层、屏蔽层、控制机构等，与常规低温发动机相关组件，如推力室、喷管、涡轮泵等质量仅占10%左右。

对于核热发动机的反应堆，构成部分主要由堆芯（含燃料和慢化剂等）、反射层、反应性控制系统、屏蔽以及其他堆内构件组成。

以美国载人登陆火星用的核热发动机反应堆为例，经估算，核反应堆的总质量约3422kg，而发动机推力约111.2kN，推质比为3.314。再综合考虑发动机喷管、涡轮泵以及推进剂输送管等，实际工程应用中核热发动机推质比在3左右。

（3）核热发动机起动、关机性能

常规火箭发动机的能量来源于推进剂的化学反应，其加速累积和减速释放的过程与推进剂的供应量直接关联，因此可以实现比较快速的起动和关机。

而核热发动机采用核反应堆作为能量来源，其起动关机过程很大程度上取决于反应堆的工作需求和特性，特别是核反应堆在停堆过程中，部分产物的辐射效应还会持续较长时间，需要持续予以冷却。

通过分析美国的核热发动机研制经验，核热火箭发动机的起动关机过程与常规火箭发动机有一定的差异，尤其是在发动机关机后还要维持一个较长时间的冷停堆过程。

对34吨级月球摆渡用核热发动机的起动和关机特性进行了初步分析，该发动机以美国“运载火箭用核发动机”（NERVA）计划研制发展的NRX系列发动机为原型，设计总温2361K，设计室压3.1MPa，真空比冲822s，设计推力下流量为41.7kg/s。

1）起动过程。核热火箭发动机的起动过程与常规低温火箭发动机有点类似，但时间要长得多。

起动第一阶段，液氢在贮箱压力作用下流经涡轮泵、推力室、反应堆等，反应堆处于较低功率，该过程大约需要25s，主要作用是将发动机充分预冷，并将反应堆预热。

第二阶段发动机开始加速起动，温度达到额定工况，推力达到额定推力的60%，历时约22.7s；

第三阶段是在总温保持不变的情况下，室压增大至额定工况，推力达到100%，历时约3.6s。总体来看，核热发动机起动过程历时约52s，扣除发动机预冷时间，也需要约27s，起动过程的平均比冲大约只有600s。

2）关机过程。核热发动机的关机过程基本是起动过程的逆过程，但耗时要更长一些。首先，发动机要先降功率至60%工况。这一过程发动机总温保持不变，室压降低，历时约3.6s，此过程发动机比冲不变；而后，发动机在这一状态维持1 3min，主要目的是降低后续冷停堆过程中废热的产生量，以节省推进剂消耗；然后，发动机总温、推力再继续下降到发动机关机，还需要维持一个长时间小流量冷却的废热排放阶段。该34吨级核热发动机的整个关机过程历时约350s。整个关机过程中，发动机平均比冲约为600s。

核热发动机与常规发动机最大的不同就在于发动机关机后还存在一个废热排放的阶段，这主要是由于反应堆停堆后，一些反应产物仍然具有很强的放射性，会释放出废热。以34吨级月球摆渡用核热发动机为例，该过程持续约64h，推力约为134N，比冲约400s，由于持续时间较长，这一过程中液氢消耗需要考虑，同时，这一过程的冷却氢可设计用于发电，为整个飞行器提供一定的电力来源。

核反应堆在运行时将放出γ射线和大量的中子，这些射线和中子将对航天器上的电子元器件和航天员产生危害，因此需要加以屏蔽，将其辐射水平降到许可值以下。对于空间应用的反应堆，由于体积质量的限制较严格，其电子元器件和航天员处于相对集中的位置，可采用阴影屏蔽的方式，将辐射水平保持在较低水平。

对于使用核动力的航天器，一般设计成细长形结构，即仪表舱、人员舱位于一端，核反应堆位于另一端，两端之间为液氢贮箱。

由于中子及γ射线的直线运动特定，且需屏蔽的位置相对集中，需要将屏蔽的区域放在屏蔽块的阴影区。

辐射屏蔽布置示意图

参考大亚湾和秦山核电站大修制定的防护指标，集体剂量不超过600（人·mSv），个人最大剂量不超过15mSv，考虑到核热推进末级受体积质量的限制，其辐射水平可能会略高，假设核热推进系统辐射安全区的允许泄露值小于每天20mSv，此数值已大大超出大亚湾和秦山核电站大修时制订的辐射防护指标要求。

按照火星探测任务周期为3年考虑，并假设上述辐射被火箭电气产品全部吸收，则整个任务周期累计吸收剂量为21.9J/kg，在目前的产品水平下，非抗辐射半导体元器件可以承受不小于100J/kg的电离辐射剂量。

可见，火箭电气产品受到的辐射剂量要小于元器件的承受能力，核热推进对电气系统方案并不产生本质影响，但是核热发动机必须具备基本的辐射屏蔽能力，将对外辐射控制到一个可接受的范围内。

对于深空探测任务，复杂的深空辐射环境是航天器面临的主要环境，暴露在地磁层之外的深空环境中充满了高能量的混合空间辐射。

采用核热推进的航天器布置图

根据航天器在深空的飞行阶段可将深空环境分为三部分：

一是从地球飞往其他星球旅途中的空间辐射环境，其主要辐射源是太阳粒子事件和银河宇宙射线；

二是航天器降落星体过程中的空间辐射环境，其主要辐射源为星体磁场俘获的太阳宇宙射线和银河宇宙射线粒子；

三是航天器所降落的星体表面的辐射环境，主要是星体吸收宇宙辐射后所发生的二次辐射。

深空辐射环境引起的危害主要是辐射损伤和单粒子事件，深空辐射环境中充满的高能电子、质子和少量的重离子与航天器材料作用，将引起航天器材料的性能损伤与破坏，其中高能电子对航天器材料产生电离作用、高能质子和重离子对航天器材料产生电离作用和位移作用。

在进行深空探测航天器电气系统设计时，要考虑光热辐射引起的单粒子事件造成计算错误，或改变存储器中的数值等风险，软件设计时需考虑这种情况，采用计算冗余、错误校验等方法进行检测判别，确保箭机计算的正确性。

核热推进上面级的工作环境在大气层以外，不会受到气动载荷的作用，因此其结构方案设计可以不受气动外形限制。以俄罗斯发布的核热动力运载器的概念图为例，运载器的主体承载结构以杆系为主，以此来提高运载器结构效率。而且由于没有整流罩空间的限制，有效载荷结构形式的灵活性更大、空间分布方案更多。

核热推进系统只需要液氢一种工质，因此只需要液氢一种贮箱，不需要另外设置氧化剂贮箱，在结构设计上的约束更少，可以更好地进行结构方案的优化。

但是采用核热发动机后，相比常规发动机将承受更恶劣的高温环境条件，这就需要在结构设计过程中全面考虑发动机附近结构、仪器和电缆等的热防护需求，保证各系统、单机的正常工作。

而且与常规发动机相比，核热发动机结构更加笨重，这就需要增大发动机部分，尤其是反应堆周围的结构强度，同时保证发动机各部件的密封性。

俄罗斯核热动力运载器概念图

参考美国Mars DRA5.0方案，提出了与美国类似的载人登火初步方案，地球总出发规模约700 ~ 800t，分三次完成地火转移，单次地球出发规模约300吨级。通过分析从停泊轨道分别加速至地球出发能量C3e为8或20km2/s'时的发射效率、工作时间、引力损失以及入轨质量，给出核热推进末级的推力规模以及核热发动机的总体参数建议。

假设停泊轨道为高度200km的近地圆轨道，核.热发动机推质比取3、比冲取905s，考虑引力损失影响，不同推力规模情况下，对核热推进运载器的发射效率情况进行分析，其中，发射效率指扣除核热发动机干重的入轨质量(进入地火转移轨道)与停泊轨道出发质量的比。可以看出，当过载在0.13~0.16之间时，其发射效率最高。

在发射效率已经考虑了不同过载的情况下，变轨时间不同带来引力损失影响，具体影响为过载越小，工作时间越长，引力损失越大，但发动机干重较小。按照单次地火转移的出发规模300t考虑，核热推进剂运载器的推力应该在45t左右最佳，结合美国、俄罗斯核热发动机研究情况，建议核热发动机推力按照15t考虑，核热推进运载器按照3机并联。

地球转移发射效率随过载变化情况

核热推进技术以其大推力、高比冲等特点在未来深空探测任务中具有无可比拟的优势，但也应看到，目前距离核热技术的工程应用还有很长的路要走，还需要攻克很多的技术难题。根据目前的基于核热推进的载人登火任务分析，核热推进运载器从地球出发到达火星需要约180天，在火星停留- -段时间后(一个星期至一年半时间不等)，核热发动机再点火返回地球，因此推进剂长期贮存时间应至少为半年时间，这对现有液氢长期储存技术的挑战极大。

另外，核热发动机推力高温气氢比热(总温2500K时约为20000kJ/kg K)要远高于传统氢氧发动机的高温燃气比热( 燃气总温3400K，燃气比热3000kJ/kg K左右)，导致壁面热流密度高于传统发动机，从而给冷却带来极大困难。

因此，要实现核热推进在载人登火任务中的应用，需重点解决核热反应堆小型化、核热发动机推力室冷却、推进剂长期贮存等重大技术难题。

神舟七号的化学知识

1、北京时间2008年9月25日至28日，中国成功实施了神舟七号载人航天飞行。此次飞行中,航天员翟志刚在太空迈出了第一步，开始了中国人的第一次太空行走, 创下了中国航天领域的新纪元.请依据信息回答下列3个问题: ⑴在太空中，如果航天员想在宇宙飞船中进行以下实验，你认为其中最难完成的是（ ） A、将金粉和铜粉混合 B、将牛奶加入水中混合 C、蒸发食盐水制取食盐固体 D、用漏斗、滤纸过滤除去水中的泥沙 ⑵载人航天飞船常用的液体火箭的推进剂主要是四氧化二氮-偏二甲肼类（偏二甲肼，化学式为C2H8N2），。关于偏二甲肼的以下说法正确的是（ ） A．偏二甲肼是由两个碳元素、8个氮元素和两个氮元素组成 B． 偏二甲肼分子是由碳元素、氢元素和氮元素组成 C．偏二甲肼中碳、氢、氮元素的质量比为2：8：2 D．偏二甲肼分子是由碳原子、氢原子和氮原子构成 ⑶科学家们研制了“人造空气”来供航天员呼吸。这种“人造空气”中氮气含量约占70%，氧气占20%以上，此外，还有二氧化碳等气体，非常接近空气的比例。飞船能根据仪器实时监测各种气体含量，并自动调节各种气体成分，同时将有毒的气体过滤掉，始终保证飞船内的空气适合航天员呼吸。下列说法正确的是( ) A、空气中的二氧化碳含量虽然很小，但是在自然界中是必不可少的 B、在航天飞船上,应把空气中的其他成分都分离出去，只留下氧气，会更有益于人的呼吸 C、我们周围的空气中的各成份的体积分数是不变的，不随地域和季节的变化而变化 D、空气中的氮气对人类呼吸没有任何作用，因此人造空气中可以没有这种气体 2、2008年9月25日21时10分，搭载着神舟七号飞船的 “长征2号Ｆ”型运载火箭顺利升空。27日16时41分至17时，航天员翟志刚进行了我国首次太空行走。28日17时30分左右飞船顺利的降落在内蒙古四子王旗草原。这是我国航天领域又一次重大突破。 神七火箭升空 宇航员在太空挥舞国旗 三名航天员出舱 根据以上内容回答1-5小题： ⑴“长征2号Ｆ”型运载火箭在升空时发生的下列变化属于化学变化的是( ) A. 火箭点火 B. 导流槽内的水受热汽化 C. 隔热材料脱落 D. 整流罩脱落 ⑵“神州七号”太空舱利用NiFe2O4将航天员呼出的废气转化为航天员需要的气体，而NiFe2O4的质量和化学性质都不变化，在该过程中NiFe2O4是( ) A．反应物 B．生成物 C．催化剂 D．消毒剂 ⑶航天员专用的小分子团水具有饮用量少、在人体内储留时间长、排放量少等特点。航天员一次饮用125mL小分子团水，可维持人体6h正常需水量。下列关于小分子团水的说法中正确的是( ) A. 水分子的化学性质被改变了 B．小分子团水中水分子间没有间隙 C．小分子团水中水分子停止了运动 D．小分子团水的部分物理性质与普通水有所不同 ⑷由于外太空几乎为真空环境，航天员在太空行走时，必须身穿宇航服以保证航天员的正常呼吸。宇航服中需要携带的物质是( ) A. 氮气 B. 氧气 C. 氦气 D. 二氧化碳 ⑸神舟七号飞船返回舱在返回地面时会和空气剧烈摩擦产生2000℃以上的高温，为了保证宇航员的生命安全，返回舱的舱壁必须具有______性质 A. 耐高温 B. 能阻燃 C. 隔热 ⑹宇航员舱外服实际上是个独立的狭小空间，废气处理系统保障着宇航员的生命。第一步让呼吸产生的废气进入一个装有活性炭的滤网除去臭气，这一过程利用了活性炭的 ______性，发生了 __________变化（填“物理”或“化学”；第二步，再用氢氧化锂（LiOH）作吸收剂除去二氧化碳（CO2），并生成碳酸锂和水，写出此反应的化学方程式____________________________ ⑺下一步我国的目标是登陆月球。月球是从哪里来的？千百年来一直困扰着人们。现在关于月球的起源有许多假说，其中最具有影响之一的是“同源说”，意为地球与月球是同一来源。当宇航员脚踏月面，全面分析月壤成分时，这一问题定会迎刃而解了。下列说法支持“同源说”的是 ( ) A、月球上也有火山存在 B、月球是围绕地球转动的卫星 C、月球与地球一样含有种类繁多的化合物 D、月球所含的元素种类和质量分数与地球相近 3、最近科学家经过确认，存在一种化学式为N5的分子，这一发现可能开辟世界能源的新领域，它可能成为我国未来发射火箭的一种新型燃料，下列关于N5的说法正确的是（ ） A．N5是一种化合物 B．N5分子是由氮元素组成的 C．N5中氮元素显零价 D．N5这种物质是由5个氮原子构成的 4、我国自行研发的第一颗探月卫星“嫦娥一号”顺利升空。“嫦娥一号”的主要任务之一是探明月球上He-3的储量。据科学家预测，月球的土壤中吸附着数百万吨的He-3，每百吨He-3核聚变所释放出的能量相当于目前人类一年消耗的能量。下列关于He-3的说法中，正确的是（ ）A．原子核外电子数 3 　B．质子数为2 　C．质子数为3　 D．原子结构示意图是 参考答案： 1、⑴D；⑵D；⑶A 2、⑴A；⑵C；⑶D；⑷B；⑸A、B、C；⑹吸附性，2LiOH+CO2=Li2CO3+H2O;⑺D. 3、C 4、B

从化学知识出发，认为在发射宇宙飞船是有哪些问题涉及化学，需要注意什么？

“嫦娥一号”飞船的成功发射是我国航天事业的又一里程碑．金属过氧化物等可作宇宙飞船或潜水艇中的氧气再生剂，如：过氧化钠（Na2O2）在常温下能与人呼出的二氧化碳反应生成氧气，化学方程式为：2Na2O2+2CO2═2Na2CO3+O2；（过氧化钠还能与盐酸、水等物质发生反应产生氧气）
我国又迎来了一个航天高峰，继“神舟六号”宇宙飞船成功发射之后，“神舟七号”又发射在即．“神舟六号”携带了50kg的氧气，供宇航员呼吸之用，同时还有一套完整的系统用来吸收二氧化碳．有些宇宙飞船内是通过盛有氢氧化锂的过滤网来除去舱内所含的二氧化碳，反应的化学方程式如下：
2LiOH+CO2═Li2CO3+H2O

（1）如果在宇宙飞船船舱中划燃火柴，火焰会立即熄灭．有四位同学对此现象分别进行了以下猜测，你认为其中合理的是（填写序号）C
A、船舱中氧气的浓度不够
B、宇宙飞船上温度太低，达不到火柴的着火点
C、在失重情况下，舱中的空气不对流
D、在宇宙飞船船舱中二氧化碳的浓度过大
（2）宇航食品必须做成一口一块的“一口吞”，饼干、面包之类的食品是绝对不能食用的，否则就可能引起的后果是（填写序号）A
A、产生太空舱内粉尘污染
B、可能产生爆炸
C、宇航员体内能量严重不足
（3）火箭推进器中盛有联氨液体（N2H4）和双氧水（H2O2），当它们混合时产生大量的水蒸气和一种单质，并放出大量的热，其反应方程式为N2H4+2H2O2═4H2O+N2↑
N2H4+2H2O2═4H2O+N2↑；根据上述反应产物分析将联氨作推进器中燃料有产物无污染的优点．
（4）科学家于1998年合成了一种名为“N5”的物质．这种物质极不稳定，通常情况下会发生爆炸式反应生成氮气，并放出巨大能量．火箭每发射1t设备，需携带5t的液氢．若用“N5”作燃料，则火箭须携带的燃料量可大大减少．假如你是一名科学家，欲设计用“N5”作燃料发射火箭，你认为需要解决的主要问题有哪些（答出一点即可）：如何制备或如何贮存、运输等（答案合理即可）
如何制备或如何贮存、运输等（答案合理即可）

宇宙飞船上利用氢气、氧气在催化剂作用下反应作燃料电池：2H2+O2=2H2O，在该装置中化学能可以直接转变为 电能
“神舟”六号宇宙飞船是靠长征Ⅱ(F)型运载火箭发射升空的，该火箭所用的燃料是偏二甲基肼[(CH3)2N－NH2]，氧化剂是N2O4，产物是氮气、二氧化碳和水。
(1)“神舟”六号起飞时，可以看到一级火箭的中部冒出红棕色的气体，这是为了保证贮箱安全由保险阀门自动开启所排出的部分高压氧化剂变化而来的，逸出的红棕色气体是___________，产生该气体的化学反应方程式为________________________________。
(2)当有1mol偏二甲基肼燃烧时，转移电子的物质的量为_____________。
(3)通常情况下四氧化二氮气体和二氧化氮气体可相互转化：N2O4(g)(无色)　　2NO2(g) (红棕色)；△H>0。已知二氧化氮有较强的氧化性，则下列说法正确的是
A．气态时，1 mol N2O4可完全分解成2 mol B．NO2N2O4和NO2互为同素异形体
C．鉴别NO2(g)和溴蒸气可选用淀粉一碘化钾溶液D．N2O4和NO2都不是硝酸的酸酐
(1)NO2，N2O4 2NO2，(2)16 mol，(3)D，反应生成气体对环境无污

航天器的燃料之一是铝粉与高氯酸铵的固体混合物，点燃时铝粉氧化放热引发高氯酸铵反应：，
下列叙述或分析错误的是 （ ）

A. NH4ClO4既是氧化剂，又是还原剂
B. 1mol NH4ClO4完全反应时，转移电子14mol
C. 反应中只有氯元素被还原
D. 从能量角度看，化学能主要转变成动能和热能
解析：该题以航天器燃料为载体对高氯酸铵分解反应化学方程式进行考核，既考察了学生氧化还原知识，也考察了热化学反应。答案为B。
3．3 我国研制的长征捆绑式火箭在第一、二级发动机中用“偏二甲（基）肼”和四氧化二氮作为液体燃料。

（1）已知偏二甲（基）肼的相对分子质量为60，其中含碳40%，含氢13.33%，其余为氮；又知其分子中有一个氮原子不与氢原子相连。通过计算写出偏二甲（基）肼的化学式和分子结构简式。

（2）在发动机中偏二甲（基）肼在四氧化二氮中充分燃烧，写出该燃烧反应的化学方程式。（反应中所有的氮元素均转化为N2）

解析：该题为广东省2004年高考22题，以火箭燃料“偏二甲（基）肼”和四氧化二氮作为命题情景，考察化学式的计算、结构简式的判断以及质量守恒定律。

（1）C：60×0.4=24，H：60×0.1333≈8 ，N：60－24－8=28，故化学式为C2H8N2；结构简式为：

H3C

N—NH2

H3C

（2）C2H8N2+2N2O4=2 CO2↑+4H2O↑+3N2↑

4 与航天气体循环相关的试题

4．1 航天飞行器座舱内空气更新过程如图所示：

（1）Ⅱ是CO2和H2的反应装置，该反应的化学方程式是________________。

（2）从装置Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ可看出，O2的来源是CO2和H2O，宇航员每天消耗28mol O2，呼出23 mol CO2，则宇航员每天呼出的气体中含H2O___________mol。

解析：这是2004年上海高考27题，通过一个气体循环系统向我们展示了航天员氧气的来源。Ⅱ装置告诉了反应物和生成物，自然不难写出其反应方程式，2H2 + CO2 = 2H2O + C；Ⅲ装置H2O不管是与过氧化钠反应，还是电解反应，H2O与O2物质的量都是2：1的关系，28 mol O2共需H2O56 mol，而23 mol CO2在Ⅱ装置中产生了46 molH2O，所以宇航员呼出的H2O为10 mol。

4．2 我国“神州六号”航天飞船发射成功，标志着我国人民在攀登世界科技高峰的征程上又迈出了具有历史意义的一步。在载人太空飞行宇航器中每个宇航员平均每天消耗0.9kgO2，呼出1.0kg CO2，为了能保持飞船座舱内空气成分的稳定，科学家进行大量的科学探索。有的科学家提出“金属过氧化物处理系统”，即不断把座舱内的空气通过盛有金属过氧化物(以过氧化钠为例)的容器，并把处理后的气体充入座舱。该方法的有关的化学方程式是Ⅰ_____________________，Ⅱ__________________________。将处理后的气体充入座舱时，应注意采取的措施是_____________________________________。

解析：“金属过氧化物处理系统”实际就是宇航员呼出的H2O和CO2 与Na2O2反应产生O2供给呼吸，方程式为2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑、2Na2O2+2CO2＝2Na2CO3+O2↑。宇航员呼入O2后，又产生CO2 ，形成一个CO2循环，但水蒸汽不断消耗，造成气体干燥，所以将处理后的气体充入座舱时，应补充适量的水蒸气。