飞向太空的航程教案范例6篇

飞向太空的航程教案

飞向太空的航程教案范文1

【关键词】第三宇宙速度；新理念；推导；新数据；航天器；应用

辞海上关于第三宇宙速度是这样定义的：脱离太阳系飞向星际空间必须具有的速度是16.7km/s，称为“第三宇宙速度”。剖析它的含义就是说从地球上发射一枚飞船，要使它先脱离地球的引力，其后再脱离太阳引力所需要的，不考虑空气阻力等影响情形下，理论上的最低速率。根据这一理念，现行的教材上，在推导第三宇宙速度时只考虑了飞船，地球和太阳三个对象，得到的第三宇宙速度是16.7km／s。从地球起飞的航天器飞行速度达到16.7千米/秒时，就可以摆脱太阳引力的束缚，脱离太阳系进入更广袤的宇宙空间。这个从地球起飞脱离太阳系的最低飞行速度就是第三宇宙速度。在教学中我们常提到第一宇宙速度与第二宇宙速度的推导，而很少提到对第三宇宙速度的推导，甚至从教这么多年也没认真思考过这样的问题，现用一种方法将推导过程叙述如下：

从第二宇宙速度的推导出发，假设在地球上将一颗质量为m的卫星发射到绕太阳运动的轨道需要的最小发射速度为V；此时卫星绕太阳运动可认为是不受地球引力，距离地球无穷远；认为无穷远处是引力势能0势面，并且发射速度是最小速度，则卫星刚好可以到达无穷远处。

由动能定理得： (mv^2)/2-GMm/r^2*dr =0

由微积分dr=r得

解得V=√(2GM/r)

这个值正好是第一宇宙速度的√2倍。物体要进一步挣脱太阳的引力束缚，飞到太阳系以外的宇宙空间去所必须具有的最小速度，叫第三宇宙速度，也叫逃逸速度．根据推导第二宇宙速度的道理可知，物体为了挣脱太阳的引力飞出太阳系，就必须具有速度v′＝，式中M日＝2×1030 kg，R日地＝1.49×1011 m，所以v′＝42.2 km/s ，物体是由地面出发的，地球围绕太阳公转的线速度v线＝29.8 km/s，如果物体顺着地球运动的轨道切向飞出的话，便可借助于地球的公转线速度，因而只需Δv＝v′－v线＝42.2-29.8＝12.4 km/s就行了。但是，设飞船作为质点，并设它是以第三宇宙速度发射出，则其动能为：1/2mv^2，这个动能应包含两部分，即脱离地球引力所需的动能和脱离太阳系引力所需的动能。物体要飞出太阳系，需要克服太阳系的引力，首先要挣脱地球引力的束缚才行。故物体在地面上应该具有的动能为 mv32＝ mv22＋ m(Δv)2，故v3＝16.7 km/s。

以上推导第三宇宙速度的值过于理想化，事实上第三宇宙速度的值是多样化的，中学教材的16.7km／s并不是唯一值，也不是最佳速值，在不同的理念和方案下，第三宇宙速度的值存在很多可能性。从第三宇宙速度的定义出发，引入一种新的理念，导出第三宇宙速度的新数值，得到了不同的第三宇宙速度。在这些第三宇宙速度的新值中，有比16.7km／s还要小的值，也有比16.7km／s大的值。说明目前我们还没有找到计算第三宇宙速度的一个最佳方案，现在普遍认为的第三宇宙速度16.7km／s显然是有待进一步讨论和修改的。

下面再浅谈一下宇宙速度在航天事业上的应用，第三宇宙速度是从地球表面发射航天器（航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器），飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度，是作为摆脱太阳系引力场束缚而飞往恒星际空间的恒星际飞行器所必须具有的速度。其运行轨道为双曲线，所以也称双曲线速度。宇宙速度的数值与所发射的人造天体入轨点离地面的高度有关。当离地面高度为零而又不计空气阻力时，第三宇宙速度为每秒16.7千米。其实当物体在达到11．2千米/秒的运动速度时就能摆脱地球引力的束缚。在摆脱地球束缚的过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。然而，人类的航天活动，并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器作圆周运动。众所周知，必须始终有一个力作用在航天器上。其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径，即F=mv^2/R。在这里，正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。那么，如何才能使要发射的航天器达到所需要的宇宙速度呢？必须要用运载火箭。火箭是人类冲破地球引力飞向太空的工具。火箭里装着不用空气就能点燃的燃料。燃料燃烧时喷出气体，气体的反作用力可以使火箭向前推进。火箭是在飞行过程中不断加速的，所以加速度不过大，可以保证人和仪器的安全。这种用燃料作动力的火箭，在没有空气的宇宙空间也能飞行。运载航天器的火箭应是多级火箭。多级火箭一般由三级组成。三级火箭在燃完燃料后脱落，接着下一级火箭点燃。这样，火箭就可以不停地加速前进，把航天器送入预定轨道。

随着我国“神舟六号”载人航天飞行的成功发射，越来越多的人们对航天技术产生了浓厚的兴趣。航天技术是二十世纪五十年代快速发展起来的研究和开发、利用太空的高新技术。航天技术的核心是各种航天飞行器的设计、制造、发射和应用。而讨论上述各种航天飞行器发射过程中普遍涉及的一个重要的物理内容——就是宇宙速度及其计算。

本文就第三宇宙速度的推导及误差分析和在了解了宇宙速度后在航天上的应用发表了一点自己的体会。其实还有一个目的是希望在注重素质教育的今天，本文能对学生的探究及分析问题能力的培养有点启发。教学的重点，是如何去提高学生的创新能力，培养和提高学生各种能力的同时，让学生学会深入地去挖掘，对学生来讲能提高自己的分析能力和解题能力，使学生能积极参与教师的教学活动，从而提高学生的学习主动性和积极性，有利于学生创造性的发挥和施展，培养深入分析和解决问题的能力。

参考文献：

[1] 俞达仁.杭州师范大学学报(自然科学版).《第三宇宙速度新数值导出》

飞向太空的航程教案范文2

“生活中如何测量质量？”王亚平以提问的方式开始讲课。地面课堂的同学们有的说用天平，有的说用电子秤，还有人提到用“曹冲称象”的办法。但是，这些方法在太空失重的环境下都将“失灵”，那么航天员如何测体重？

王亚平用天宫一号上的质量测量仪现身说法。他们从舱壁上打开一个支架形状的装置，聂海胜把自己固定在支架一端。王亚平拉开支架，一放手，支架便在弹簧的作用下回复原位。装置上的LED屏上显示出数字：74.0，这表示聂海胜的实测质量是74千克。

王亚平向同学们解释，天宫一号中的质量测量仪，应用的物理学原理是牛顿第二运动定律：F（力）=m（质量）×a（加速度）。质量测量仪上的弹簧能够产生一个恒定的力F，同时用光栅测速装置测量出支架复位的速度v和时间t，计算出加速度（a=v/t），就能够计算出物体的质量（m=F/a）。

演示完质量测量，王亚平又取出一个物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平沿切线方向轻推小球，奇妙的现象出现了，小球开始绕着悬挂点做圆周运动——而在地面对比试验中，需要施加足够的力，给小球一个较大的初速度，才能使它绕悬挂点旋转。

原来，这也是因为在太空中重力消失，小球在获得初速度后，单摆不会做往复运动而只做圆周运动。

接下来的陀螺试验显示，高速旋转的陀螺具有很好的定轴特性，在太空失重环境下，这一特性更加直观地呈现出来。

王亚平介绍说，高速旋转陀螺的定轴特性在航天领域用途广泛。在天宫一号目标飞行器上，就装有各式各样的陀螺定向仪，以精准地测量航天器的飞行姿态。

本次太空授课最令学生感到震撼的是失重环境下液体表面张力的演示。王亚平也吊足了学生们的胃口，用“见证奇迹的时刻”来引发更大期待。

她把一个金属圈插入装满饮用水的自封袋中，慢慢抽出金属圈，便形成了水膜。轻轻晃动金属圈，水膜也不会破裂。然后王亚平利用水膜造了一个大水球，并向水球内注入空气，在水球内形成两个球形气泡。随后，奇特的现象发生了，两个气泡各自游移，并未融合。

“王亚平在太空授课中所做的5项科学实验，‘瞄准’的是微重力环境下物体运动的两种特性——测质量、单摆运动以及陀螺的动态与静态实验，展示的是失重环境中的刚体动力学特性；水膜及水球实验，展示的是失重环境中液体表面张力作为‘主导因素’的奇异特征。”

在太空授课前夕，参与在轨科学实验演示论证的两位力学专家——中国科学院力学研究所国家微重力实验室副主任、研究员康琦和研究员赵建福，向《中国科学报》记者详细阐述了微重力科研的独特价值及其对人类未来的意义。

微重力科学涉及一个庞大的学科体系，这难免会让公众产生理解上的困惑。然而，提起“微重力”的另一个称谓——“失重”，大家则不会感到陌生了。对公众而言，此次太空科学实验授课无疑是一次新奇的体验和难得的科普经历，然而其背后蕴藏的对于我国载人航天工程的特殊意义，人们则知之甚少。

比如，航天器在飞行过程中，设备和燃料都涉及液体管理和热管理，特别是航天员生存所必需的氧气和水的供应，都离不开对液体形貌的控制。

“航天员出舱活动时需要对航天服内部的湿度进行控制，如果出汗产生的水蒸气导致航天服内部湿度过大，就会影响到宇航员的体能与动作。因此，这就须将水蒸气冷凝变成液体排掉，而气与液之间的界面在常重力与微重力情况下会有很大差异，需要我们认真研究。”康琦说。

事实上，在国外载人航天的发展历程中，尝试在微重力状态下进行科学研究一直贯穿始终，并且是重要内容之一。20世纪60年代，美苏展开太空竞赛，微重力实验成为两国角力的焦点，但这些研究成果大多处于保密状态。

此次太空授课活动，由中国载人航天工程办公室联合教育部、中国科协共同主办。其中，中国科协在参与总体方案制定与实施的同时，主要负责组织授课专家组、提出授课内容、编写教案脚本、准备课件等，同时负责协助天地演练。

在经过反复讨论并综合了各方面专家的意见后，授课专家组约定：太空授课要同中小学生常识与知识结构接轨，凡演示科学实验涉及物理学概念时，必须使用通俗语言表述，比如用“失重”而不用“微重力”讲解，使用“测体重”而不用“测质量”的说法……

飞向太空的航程教案范文3

其实，航天飞机有多种形式，像“阿特兰蒂斯”号那样的航天飞机，它的轨道器与固体助推器和外部燃料箱并联，这只是航天飞机的一种形式。近年来，美国已经运行的小型军用无人航天飞机X-37B，是用火箭顶推轨道器的另一种构形。美国航宇局（NASA）在低轨道航天运输的“商业乘员开发（CCDev）”计划中，一家私营企业正在研发的“追梦者”（Dream Chaser）航天飞机，也是这种火箭顶推轨道器的构形。由此可见，航天飞机并没有随航天飞机的退役而宣告命运终结，而是在总结航天飞机经验教训的基础上，正在“螺旋式”地迈向新的发展水平。

商业化促进美国研发

新一代航天飞机

2010年4月，奥巴马在演讲中较为详细地阐明美国21世纪的新太空探索计划。2010年6月28日，美国政府公布了新的《美国国家航天政策》，重申到2025年，美国将把航天员送往小行星，到本世纪30年代中期，实现将人送至火星轨道并安全返回地球。原定于2015年结束使用的“国际空间站”，其寿命至少延长到2020年。同时，新的国家航天政策重申了奥巴马总统提出的NASA新发展方向，即要求NASA把目光放在近地轨道以远的任务上。新方向取消了布什总统提出的载人重返月球的“星座”计划，并提出依赖于商业部门提供近地轨道航天运输服务；增加机器人探测任务，探索更多目的地；重视技术研发和能力提升，实现人类首次访问近地小行星，最终实现载人登火星的目标。新方向力求通过吸引越来越多的私营企业的参与、竞争，达到降低成本的目的；同时重视关键技术攻关，增加了技术研发投资，保持技术可持续发展，以更快、更好地实现近地轨道以远的载人太空探索。

由此可见，由于从美国从航天飞机退役到国际空间站寿命结束之前，存在几年“断档期”，美国决定将由私营企业开发新一代的天地往返运输系统，来承担地球低轨道的运输服务，这是美国载人航天有史以来最大的一次转型。私营公司将成为研发制造的主力，NASA则扮演“甲方”的角色。私营航天公司管理机制灵活、高效，由它们来研制天地往返运输系统，较易达到研制周期短，成本较低的目标。

商业化是人类航天事业发展到一定阶段的必然产物，它也必将成为航天事业空前繁荣和发展的新动力。实际上，为解决航天飞机退役后国际空间站运输的问题，NASA于2005年就制定了商业乘员与货物运输计划（C3P），2006年年初启动了“商业轨道运输服务（COTS）”，2010年年初又启动了“商业乘员开发（CCDev）”计划，以鼓励私营公司研发可靠、高性价比的商业航天运输系统，接替航天飞机执行向国际空间站运输货物与人员的任务。美国的航天事业分成商业、民用和军用三部分。美国在应用卫星领域如通信卫星、遥感卫星等，已相继完成了商业化。因此，这次美国航天事业的转型，重点放在民用的载人航天领域。在美国载人航天领域过去取得的一系列成绩中，美国的众多商业公司也功不可灭。NASA本身从未涉及过火箭或飞船制造领域，而都是交由波音和洛马公司等私营承包商，来负责实际设计和建造工作。NASA现在的COTS项目与之前的承包项目的区别，在于资金使用方式不同。以往NASA在招标时，它所承诺的支付，包括研制费用（即“成本”）以及其所保证的利润（即“加成”），也就是所谓“旱涝保收型”。COTS则在招标后支付这些公司一笔固定资金，如果研制成本超支，则由投标公司自己承担。因此，私企承担了主要风险。

NASA的“商业轨道运输服务（COTS）”项目，旨在为国际空间站发展商业补给服务。经过招标，NASA最终选择了两家创新能力强的私营企业，运送货物到国际空间站。一是太空探索技术公司（SpaceX），将利用该公司研发的“猎鹰9”火箭和“龙”飞船向空间站运送货物。二是轨道科学公司，将利用该公司研发的“天蝎座α”火箭和“天鹅座”飞船向太空站运送货物。“龙”飞船已完成两次送货任务。按照时间安排，轨道科学公司需要在今年年中进行一次火箭试射，随后在今年晚些时候将“天鹅座”飞船送上国际空间站。

NASA采用与“商业轨道运输服务（COTS）”计划相似的方式，来执行“商业乘员开发（CCDev）”计划。NASA预算请求在未来5年投入60亿美元给“商业乘员开发”计划。CCDev资金来自于2009年美国国会经济刺激一揽子计划中的拨款。CCDev与COTS项目的重要区别，在于有经验的资深公司和现有为“商业乘员开发”计划研发的火箭都可以参与其中。COTS项目则聚焦于市场中的小型公司和新生力量。

NASA扶持私企研发“追梦者”航天飞机

2010年2月1日，美国NASA宣布了“第一轮商业乘员开发项目（CCDev1）”，以帮助有关公司进行早期设计和开发工作，突破关键技术，以研制出可替代美国航天飞机的天地往返运输系统。NASA向五家公司共注入5000万美元的启动资金。来自科罗拉多州的内华达山脉（SNC）公司，因其“追梦者”（Dream Chaser）航天飞机而获得2000万美元。2011年4月18日，美国NASA宣布了“第二轮商业乘员开发项目（CCDev2）”，波音公司因其CTS-100飞船获得了9230万美元；SNC公司的“追梦者”获得8000万美元；来自加州的SpaceX公司，因其“龙”飞船而获得了7500美元；来自华盛顿州的蓝源公司因其垂直起降方案获得2200万美元。对此，NASA局长博尔登表示：“NASA计划利用美国企业的创造性到达近地轨道，从而使NASA可以将资源集中用于深空探测。从这个角度看，这些合同无疑是重要的里程碑。”

由于“追梦者”航天飞机的设计方案，就是NASA多年研发的HL-20升力体构形，因此它本身就是与NASA的一个合作项目。升力体构形是介船和飞机之间的一种外形，它既有较大的容积，又有较高的升阻比。2004年SpaceDev公司宣布将以“追梦者”加入NASA的空间探索的愿景计划，以及后来的“商业轨道运输服务（COTS）”项目，2006年该公司与NASA签订合同，正式决定使用HL-20升力体构形来研制追梦者，虽然他们后来没能获得COTS的合同，但仍然与NASA决定继续合作发展该项目。2008年，SNC公司收购了SpaceDev公司，并赢得了CCDev项目的合同。2012年4月NASA的商业乘员集成能力（CCiCAP）计划，选择了三家公司开展竞争。获批研发的三个方案是SpaceX公司的“龙”飞船、波音公司的CST一100飞船、内华达山脉公司的“追梦者”航天飞机。“追梦者”获得了2.125亿美元的合同。前两家公司分别获得4.4亿美元和4.6亿美元的合同。同时，NASA宣布其“商业乘员开发（CCDev）”计划的首次发射已从2015年推迟到2017年进行，最早将在2017年11月进行。

与美国的航天飞机一样，“追梦者”也是垂直起飞水平着陆的航天飞机，但它改成装在“宇宙神”5运载火箭的顶部来发射。由于它不需要携带货物，因此可载7名乘员的“追梦者”要比航天飞机轻得多和小得多。表1给出了“追梦者”与HL-20升力体的性能比较。“追梦者”长9米，直径为7米，总重为11吨。其尺寸大约是航天飞机的四分之一，质量是航天飞机的八分之一。“追梦者”的结构采用了大量最先进的复合材料。SNC公司用“追梦者”的模型，已进行了大量风洞试验。近期还完成了飞行器复合碳材框架上的电池测试。飞行器的架构要求必须能够承受超重负荷和抵御强烈振动。因此，“追梦者”轨道器被安装在科罗拉多大学博尔德分校实验室的地震模拟器上，仔细地进行了测试。“追梦者”的在轨动力采用两台推力可调的固体与液体混合的火箭发动机，推进剂采用端羟基聚丁二烯（HTPB，固体燃料）和一氧化二氮（氧化剂），它们都具有无毒易存储的特性。与之类似的发动机也用在了维珍银河/比例复合公司的“太空船2号”上面（即RM2发动机）。SNC公司在混合火箭领域已探索了十多年，进行了超过300次混合火箭发动机的点火试验，并帮助“太空船1号”获得了安萨里×大奖。NASA研发HL-20升力体时，发现最关键的技术是应急救生技术，研制“追梦者”轨道器时也将重点解决救生问题。

目前，SNC公司已完成了“追梦者”样机的研制，并将样机运到NASA德莱登飞行研究中心。2013年5月22日，NASA局长博尔登会见了在NASA德莱登飞行研究中心准备进行测试的“追梦者工程测试样机（ETA）”的团队，同时，他作为一名驾驶过航天飞机的航天员，也在现场体验了“追梦者”的飞行模拟器。在今年夏天，ETA会经历地面、进场和着陆飞行等阶段的检验。按照计划，“追梦者”将在2015年首次发射入轨。

“追梦者”的有力竞争者：X-37C

“追梦者”的竞争者，除了SpaceX公司的“龙”飞船和波音公司的CST-100飞船外，可能还有波音公司在X-37B基础上发展的X-37C小型航天飞机。假若只能选一家的话，“龙”飞船胜出的可能性较大。假若除了飞船外，还要选一种航天飞机，那么，就会从“追梦者”和X-37C中作抉择。

2010年4月22日，美军的小型无人航天飞机X-37B的第一架轨道试验飞行器（OTV-1），在卡纳维拉尔角空军基她，由“宇宙神”5火箭将其发射入轨。同年12月3日结束任务返航，总共在轨飞行225天。2011年3月5日，X-37B的第二架轨道试验飞行器（OTV-2）成功发射入轨，并于2012年6月16日凌晨顺利着陆返回。它在轨飞行长达469天，进行了一系列轨道器技术和有效载荷的试验。2012年12月11日从卡纳维拉尔角空军基地又第三次成功发射。执行本次任务的X-37B与2010时第一次发射的为同一架。

X-37B的飞行试验结果表明，它选择的构型是成功的。在总结了“哥伦比亚”号失事的教训后，它回到了X-20的火箭顶推式，从而避免了外部燃料箱的隔热泡沫塑料，会打坏轨道器防热瓦的问题。它的气动外形，虽然也采用航天飞机的双三角机翼，但机身头部的钝度更大。它将原来航天飞机的中央垂直尾翼（舵）改为两个侧垂尾（舵）。这样，既改善了X-37B的偏航性能，而且缩小了全机的高度，使其在机身底部安装减速板后，仍可以放入整流罩内。

正当NASA及其商业伙伴向着低轨道商业运输时代前进的时候，波音公司在2013年年初，了一份关于扩展X-37B能力，以执行商业轨道运输服务和乘员运输任务的提议。波音公司认为，X-37B加入NASA的COTS计划和CCDev计划，具有明显的优势。通过利用X-37B这种成熟的轨道器平台及其定义好的平台载荷界面，以及由成熟的任务操作人员使用经过飞行验证的设备支持的地面站，可以大幅度地降低使用成本。波音公司还指出：重复使用航天器的几项关键技术已经成功验证，它包括气动力、气动热、重复使用太阳帆板、热防护系统（TPS）以及自主制导、导航和控制（GNC）等。但基于某种原因，波音公司的提议目前尚未得到NASA的公开支持，但由于X-37本来就是NASA移交给美国空军的项目，NASA与空军本来就在合作，因此，基于X-37B发展的载人的X-37C，无疑是“追梦者”的竞争对手。

实际上，在2011年美国航空航天学会（AIAA）的会议上，承包X-37B研制的波音公司X-37B项目主管阿特·甘茨（Arl Grantz），对X-37B的前两次试验和它今后的发展，作了较详细的介绍。出于保密的原因，他在报告中并没有提到X-37B的军事价值和对其未来的军事需求，也没有透露任何与飞行有关的细节，只是重点强调它作为一个重复使用的在轨试验平台的重要意义。他说：发射的目的是“使其像空中试验平台一样运行。”从飞行器的角度来看，X-37B验证了使用与美国航天飞机相似轨道的自主离轨，以及与在跑道上进行“软着陆”。飞行试验也验证了X-37B的制导、导航与控制系统、机电飞行控制系统、太阳帆和热防护系统等。根据有关媒体的分析，在第二次飞行试验中，它也试验了电子系统部件、材料和十分重要的军用载荷。

这份报告介绍了波音公司正在研究X-37B轨道验证飞行器的增大比例构形，希望能够用其向国际太空站（ISS）和其他低地球轨道（LEO）目的地，运送货物和乘员。其目标是提供比波音公司目前正在研制的CST-100乘员飞行器，有更大的货运能力，以及一种可能的、更长期的载人运输能力。未来的计划设想分为三个阶段：

第一阶段将利用现在8.8米长的飞行器，进行飞往国际空间站（ISS）的验证飞行。X-37B将放置在“宇宙神5”火箭直径5米的整流罩中发射。此时，X-37B能够携带诸如ISS控制力矩陀螺仪、蓄电池组放电设备和泵模块等大型物品。第二阶段将研制165%的增大比例方案，大约14.3米长，足以向ISS运送更大的线性替换单元（LRUs），同时降低与航天员往返有关的风险。第三阶段将研制一种能够运送5-7名乘员的载人的飞行器。这个飞行器，波音公司初步定名为X-37C。

飞船和航天飞机各有其长

上世纪80年代后期，我国航空航天界对我国载人航天，是首先发展飞船还是首先发展小型航天飞机，进行过一场热烈的讨论。无疑，由于我国已研制成功了返回式卫星，发展飞船的技术基础较好，而航天飞机的防热瓦等关键技术，我国的基础相对较差。若采用小型航天飞机方案，很可能会推迟将中国航天员送上天的日期。由此可见，我国载人航天采用飞船起步的决策是正确的。

在我国“神舟”飞船上天后，许多媒体在报道这场讨论时，总是把飞船方案说得优点较多，把小型航天飞机方案说得缺点较多，对美国的航天飞机这种航天飞机，更说得一无是处。这也许不是客观和科学的评价。美国的航天飞机，其设计确实并不完美，也发生过两次机毁人亡的特大事故，但它的研制和运行，也为发展航天飞机甚至整个低轨道航天运输系统，都提供了宝贵的经验教训。

如今美国正在发展的新型航天飞机，无论是“追梦者”还是“X-37B”都是采用和飞船一样的运载火箭顶推的方式，因此，飞船和这种航天飞机的不同，主要是再入大气层时，航天飞机的升阻比要比飞船要大。由于升阻比较大，再入时承受的过载就较小，也能像普通飞机那样在地面滑跑降落，从而便于重复使用。但是为了获得较高的升阻比，就要付出增加质量的代价，并降低了容积的利用率。现在看来，从长远来说，飞船和航天飞机各有其长。飞船更适宜于载人登月和载人登火星等太空探索项目。航天飞机在低轨道运行，具有更好的机动性和更低的全寿命费用。由于航天飞机能像飞机那样降落，也可以大大提高航天员在着落阶段的安全性和舒适程度。同时，航天飞机比飞船有较大轨道机动能力和较大再入横向机动距离，因此具有较大军用价值。最后，发展航天飞机是进一步发展空天飞机必须经过的一个技术发展阶段。因此，美国正在研发的新一代航天飞机，不论是“追梦者”，还是X-37C，都值得我们进一步关注。

美国NASA的低轨道航天运输的商业化计划，已取得了初步的成效。美国这种将国家行为和市场经济相结合来发展载人航天的政策，也可为我国航天体制的改革，提供借鉴。

飞向太空的航程教案范文4

2013年6月26日，神舟十号载人飞船返回舱在内蒙古主着陆场成功着陆，天宫一号与神舟十号载人交会对接任务取得圆满成功。至此，天宫一号与神舟十号载人飞行任务圆满完成。

自1958年至今五十多年来，中国载人航天工程用不到发达国家1/10的经费投入，实现了与之比肩的不凡成就。特别是在“神九”、“神十”两次任务期间，中国载人航天工程办公室与联想共建中国载人航天工程总体仿真实验室，大量通过仿真将大量不确定性和风险识别、排除在发射前，并设计出系统最优的任务方案，极大提升资源利用率。ThinkServer服务器和ThinkStation图形工作站服务于该实验室和主要研制单位，在轨道计算、模拟仿真、航天器设计等关键环节，以卓越的品质和性能，稳定、高效地承载了大量重要的计算工作，成功助力中国首次载人交会对接任务，已经成为我国航天事业中的重要组成部分。在“神十”宇航员太空授课的地面课堂里，两位地面教师还利用联想电子教室解决方案，为学生们创造了全新的课堂体验。联想凝聚全球领先的创新科技，助力中国载人航天交会对接任务，令中华民族的飞天之梦不断向前推进！

在轨道设计阶段，载人航天科研人员会在中国载人航天工程总体仿真实验室中，利用ThinkServer服务器、ThinkStation工作站模拟测试航天器从发射到回收的全过程，利用数万次仿真计算，校验载人航天全系统的匹配性和兼容性，对各种太空物体的位置进行模拟计算以避免碰撞，并优化推进剂管理方案，最终确定实际发射时的轨道方案。

在“神九”、“神十”任务中，手控交会对接对航天员的操作水平要求极高。为了让航天员在任何情形下都能顺利对接，在地面进行仿真对接训练时，系统设置了不同距离、不同光照条件、不同初始偏差、不同突发事件等无数种突发状况。航天员在地面利用对接训练模拟器进行仿真对接训练时，后台模拟控制系统需要实时测量位置姿态、从敏感器读取数据，并将读取的数据进行处理，变成控制量输出，在此期间要把上百个环节做成数学模型，利用ThinkServer算出正确的轨道和相对的空间位置并进行实时在线监控，这对服务器和工作站可靠性和计算性能提出了极为严苛的要求。

飞行产品研制离不开充分优化的设计和试验验证。由于实物验证成本高昂，在设计阶段往往要通过软件模拟，进行虚拟设计、虚拟装配和虚拟测试。在载人航天工程的各个主要研制单位，ThinkServer服务器和ThinkStation工作站都在承担着设计数值计算、数据关联存储和虚拟界面计算生成等重要的任务，大大提高了设计的质量、速度和可验证性。

飞向太空的航程教案范文5

基于问题的学习是一种以学生为中心的主动型教学模式和课程体系设置方法，其最初是由加拿大的麦克马斯特大学（McMasterUniversity）医学院于20世纪60年代在医学课程教改中逐步形成并提炼出来的。在PBL中，教师根据课程要求和学生的知识基础预先定义一个不完整的或劣构的问题，然后让学生进行研究，理论联系实际，运用已掌握的知识和技能提出解决问题的可行方案，让学生亲身参与问题求解的每一个步骤和知识构建的过程，从而将其先前获得的知识和经验很好地整合起来，使已有知识结构得到完善的同时达到对新知识的理解与掌。

1.目标和基于问题的学习法的特点。

基于问题的学习方法的主要目标不仅仅是让学生获得知识，并且要运用知识。PBL重视模型和问题的解决。它试图模拟现实生活中的工程研究和开发过程。Barrows这样描述PBL的主要特点：（1）学习是以学生为中心的，即学生选择怎样去学习和他们想要学习的内容。（2）学习在小团体中展开并且提倡协作学习。（3）老师是促进者、引导者或教练。（4）问题形成组织重点并刺激学习。（5）问题是拓展真正的问题解决能力的工具。（6）新的信息是通过自学获得的。

2.PBL工程教育案例———麻省理工学院航空航天工程系。

几年前，在麻省理工学院的航空航天系成立了一个由教师和科研人员组成的新战略计划小组，专门负责课程改革。为了强调教育以学生为中心，讨论小组花费了一定的时间和精力通过对项目和学习成果进行验收，设计了新的教学方法，建造与之配套的实验室。尽管基于问题的学习是关键，但它不是课程组织的原则。新的航空航天工程课程以现实生活中产品完整的生命周期工程为背景，即构思、设计、实施和执行（CDIO），结合设计建造经验，贯穿于整个项目中。接下来就是从简单的项目到高度复杂的系统设计建立过程，以及从中取得的经验教训。第一年，在《航空航天设计导论》课上，学生们设计、构思并且试飞的由无线电控制浮空飞行器（LTA）。第二年，在《联立工程学》课上，学生们设计、搭建并且试飞了无线电控制的电推力飞行器。在一些比较深入的课程例如《空气动力学》课上，从工厂或者政府以往项目中提出航空工业中很常见一个实际的问题，像是以洛克希德•马丁战术飞机系统为模板提供项目设计方案。高级课程完全利用基于问题的学习方法，如：《实验项目实验室空间系统工程》、《CDIO高等课程》。在这些PBL体验中，学生发现自己感兴趣的问题，通过做实验找到解决方法，并用多学科方法设计出复杂系统。麻省理工学院航空航天系“复杂系统学习实验室”的主任提出了一个对于基于问题的学习方法的分类框架。它将问题分为四个等级，给出了解决基础科学及先进工程课题的系统方法。一级：问题集。问题集是指在大多数工程课程中发现的传统问题。它们往往具有一定的结构与较成熟的解决方案（至少问题的设计者知道）。所有学生解决同样的问题，有时独自解决，有时以小组形式解决。问题需要在相对较短的时间内解决。二级：小型实验。小型实验是指在结构化问题下的实验课。例如测量或观察某种工程现象或数据。这些问题在一或两个学期内解决，可以“重复地进行”，也就是说，每个学生团队解决与其他团队同样的问题。在麻省理工学院有许多例子，如《联立工程学》课上的桁架实验室，《空气动力学》课上对在风洞中的流速计的校准，《航空航天设计导论》课上对空气动力减速器的各种测试。三级：大型实验。比起前几个阶段，这个阶段的问题需要更长的时间去解决，可能会耗费几周或整个学期。到了这个阶段问题明显复杂了很多，需要更多的规划和教员支持。在麻省理工学院有许多如是例子：《实验项目实验室》课上的风洞试验、飞行器模型项目，《空气动力学》课上的机械项目，《航空航天教育导论》课上的轻于空气的飞艇，《联立工程学》课上的电动飞行器设计等。四级：顶级CDIO实验。这个阶段在系统中整合了核心工程的顶级实验。麻省理工学院的航空航天工程项目用构思-设计-实施-操作（CDIO）的方法来设法更接近于实际工程。在顶级实验中，工程的四个阶段都将涉及。顶级实验室的项目均为研究的重点，需要更多的资金，工程的复杂度和依赖经验的程度也很高。例如麻省理工学院的自主卫星光学阵列项目和磁控编队飞行器。四级的项目需要学生、老师和研究员花费三个学期去完成。可以看出三级和四级问题的解决过程是由学生主导的、不受约束的、复杂的、多方面的且具有很高的主动性过程，符合之前所说的PBL标准。然而一级和二级中的项目体验过程更结构化，在这个过程中学生体验到关于问题构想的有用指导，使用工具进行研究发现。基于问题的学习方法和设计-制造经验贯穿了整个麻省理工学院航空航天工程系的本科生阶段。使用四个等级的框架来层次化PBL体验过程确保了从高度结构化问题到无约束和复杂问题情况的合理推广。

3.基于问题的学习方法的评估。

基于问题的学习方法的评估是多模式和长期性的。这些方法包括实验室期刊、技术简报、设计审查、技术报告、团队协作评估、设计作品、互评和自评。教师的角色主要是顾问和指导员，以及在学习过程中为学生提供大量反馈信息。在《航空航天设计导论》课上，学生们设计、制造并试飞由无线电控制的浮空飞行器，设计审查作品和最后的评估工作都是由飞行器竞赛的方式进行。在《综合工程》课的飞行器设计项目中，二年级学生分析在问题集中与气动性能、稳定性和推进装置有关的问题，并动手组装和试飞无线电控制的电推力飞行器。与第一年的课程相似，评估手段包括问题集、设计审查以及最后的一场比赛。除了评估认知能力的培养效果，情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。这些情感变化可以通过观察、访谈、作品、期刊和其他形式的自评进行评估。

二、小卫星平台与基于PBL的航天工程教育创新结合途径

在全球化大背景下，除去意识形态的差别，世界人才的标准正趋于统一。根据著名的CDIO（Con-ceive-Design-Implement-Operate，即：构想-设计-实现-运作）工程教育模型，工程教育包括以下几大培养目标：掌握深厚的基础知识和应用技术；善于构思、设计、实现和运作新产品或系统的能力；承担和实施复杂系统工程的能力；适应现代团队协作开发模式及其开发环境。这些目标是直接参照工业界的需求而制定的，它实际上定义了现代工程技术人员的素质构成。

1.小卫星作为航天工程教育的意义。

小卫星为空间发展提供了的一条新途径，这是与以往基于传统空间开发模式的“政府导向的大型项目”完全不同的。此外，NASA已经开展了很多项目为大学提供发射机会，让他们逐渐学会如何开发、运营卫星。超小型卫星计划是其中一个著名的案例，选定十所大学并给予他们项目资金，最终的成品将搭载航天飞机发射上天。凭借多年的项目经验，一些大学已经能够制造卫星，甚至出售卫星给其他大学或国家。小卫星为大型卫星上已经实现的一些任务提供了一条新的实现途径。一定数目的小卫星协作是一个非常重要的概念，通常被称为“星座”或“编队飞行”。这种多卫星体系的优点是容错量大、重构能力强、系统的可扩展性好。

2.基于小卫星平台的航天工程教育项目。

小卫星的操作训练为大学生的太空教育提供了一个特别的机会，让他们能够体验从任务创建、卫星设计、制造、测试、发射、运行，直到结果的分析的整个太空项目周期。同时他们还能从这些项目中学到项目管理和团队协作等重要技能。小卫星项目不仅对教育有益，而且有望成为太空技术发展与商业运营中的一名新成员。

（1）日本卫星设计大赛。

上世纪90年代初期，日本的大学小卫星研究项目远远落后于美国和欧洲各国。然而，在意识到了小卫星在教育和技术发展上的重要性后，日本国内开始大力推动高校小卫星设计-制造计划。第一个里程碑是“卫星设计大赛”。1992年三个学术社团共同成立了大赛组委会，他们分别是JSME、JSASS与IEICE。经过一年时间的准备，于1993年举办了第一届比赛。这项比赛的目的是为更多的大学生提供参与太空项目的机会，同时鼓励一流大学开始进行实体卫星的制造项目。评审项目分成两大类，创意类评审该项目的创意与想法，设计类评审卫星设计的可实现性。提交的项目首先会进行初步的评审，合格的项目才能入围最终的决赛。届时，将进行卫星模型的展示和评审。优秀的作品将获得“设计奖”、“创意奖”以及三大学术社团颁发的奖项。大赛每年都会收到20到30个创意独特的项目。

（2）大学空间系统研讨会（USSS）以及CanSat项目。

USSS始于1998年，每年11月由JUSTSAP小卫星工作组在夏威夷举办。研讨会的形式十分独特，出席会议的日本和美国的大学首先提出自己卫星项目的构想，以及各大学自身的科研实力，然后将具有相同兴趣、能力或科研实力的大学进行组队。各组展开讨论，在一天半的研讨会后，各组需要向其他组展示他们的项目设计书。这些项目要在USSS结束后的一年内实施，他们的成果将在下一年的USSS上展示。其中最成功的项目就是CanSa（t罐装卫星）项目了。CanSat项目是1998年由特维格教授提出的。在最初的计划中，每所大学都要制造一个350mL饮料罐大小的微型卫星，卫星将被发射到轨道上，在下一年的USSS上进行控制操作。

（3）立方体卫星。

立方体卫星项目由特维格教授在1999年的USSS大会上提出。立方体卫星为重1kg，长宽高均为10cm的微型卫星。每所大学制作的立方体卫星都被放在一个名为“P-POD”的盒形载体内，它由俄罗斯的“第聂伯”火箭装载发射升空。为了减少立方体卫星和P-POD之间的机械和电气接口，P-POD释放机制设置得非常简单：当P-POD的门打开，里面的立方体卫星就被P-POD末端的弹簧弹出。东京大学和东京工业大学已经开始了立方体卫星项目，并大致完成了设计和EM级别的模型制造。这些大学的学生已经在立方体卫星项目中获得了微型卫星开发的基本专业知识。但他们现在需要面临新的挑战：如何使用现成的廉价的部件设计可靠的空间系统，如何进行空间环境试验（如真空热或辐射试验）并获得试验结果，以及如何处理更大的风险，更多的人力资源、时间和成本。目前计划于2002年底发射第一个立方体卫星。

（4）欧洲大学生月球轨道航天器。

欧洲大学生月球轨道航天器ESMO是欧空局教育卫星计划的第四项任务，它是基于“欧洲大学生太空探索与技术倡议”计划中的“SSETI-Express”卫星。ESMO项目是为了吸引和培养下一代的月球与其他行星的工程师和科学家。航天器有效载荷包括：船载液压双组元推进系统，用船从地球同步轨道通过“日地系统中的拉格朗日点L1”转移到绕月运行轨道的过程，历时3个月；表面光学成像的窄角相机和一个用于测绘全球引力场的子卫星，将在历时超过6个月的时间里执行测量任务；可供选择的载荷还包括一个生物实验和一个微波辐射计。ESMO项目是未来欧洲的科学和勘探计划的一个强大的动手教育和公共宣传工具。它是一个面向大学生的项目，训练和培养了下一代的月球任务的工程师和科学家。

三、建立基于PBL的航天工程教育实验平台和培养范式

我国在“十二五”规划中提出了“创新驱动，实施科教兴国战略和人才强国战略”，要“围绕提高科技创新能力、建设创新型国家，以高层次创新型科技人才为重点，造就一批世界水平的科学家、科技领军人才、工程师和高水平创新团队。实施PBL教学是一项系统工程，由于受国情、传统教育教学模式和人才培养机制的约束，在中国工科大学中实施PBL教学存在问题案例少、实施成本高、评价方式单一和师生角色僵化等问题，因此，需要根据我国工程教育的现状和国情对PBL教学进行本地化处理，不能生搬硬套，具体来讲有以下几个方面需要注意。

1.树立以学生为中心的教学理念。

树立以学生为中心的教学理念是实施PBL教学的前提条件，PBL强调以学生为中心，作为PBL教学的实施者，教师必须要深刻认识到这一点。

2.根据具体航天任务设计问题。

丰富的问题案例是PBL教学成功的关键。每门专业课的设置都是基于学生已具备一定的先修课程基础为前提，但个体的差异不容忽视，教师或教师团队在进行某课程PBL问题设计的时候要充分了解学生的知识基础，结合具体的实施条件进行问题案例的设计。为了保持热情，学生们可以一种竞赛的形式开始项目，学生们互相分享自己的认识，用自己的双手选择出最吸引人并且最有意义的项目。

3.提高卫星实验平台的开放性与多样性。

除了教育实践空间项目对航空航天教育带来的价值之外，学生建造空间项目长期承诺创新型大学的任务是可直接有利于空间行业本身。目前，各大学中设立的大学或研究生开放实验室及其配套的开放创新基金都是一些很好的尝试，取得了很好的效果，但其范围需要扩大，让大学生能够进入一些比较前沿的和良好国际合作背景的研究型实验室，使其很早就能受到良好的学术熏陶，以促进其产生向更高层次发展的内部动机和欲望。

4.加强学习能力的培养。

发展学生的学习能力，使其成为高效、独立的终生学习者是PBL的重要目标之一。通过参加PBL学习，让学生明白学习不完全是个人的事情，在PBL小组中每个学生都担当一定的角色，并承担相应的责任，在小组讨论中无私贡献自己的学习成果，并吸取其他成员的学习成果，达到共同进步。

5.建立合理多样化的评估体系。

在实施PBL的过程中，可以采用学生自我评价、同学互评及教师评价相结合的办法，注重学生的过程表现，而不是结果。创新人才的多样性和创新思维的多样性决定了我们不能用一刀切的方法来评价学生，而是要采取灵活多样的评估体系，建立激发创新的长效机制。除了评估认知能力的发展和成就，情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。

四、结论

飞向太空的航程教案范文6

“保守期”

虽然第一个上天的女航天员是苏联的捷列什科娃，但是就首批女航天员的选拔而言，美国先于苏联。早在1959年初，就有两个“重量级”的美国人开始讨论让妇女上天的问题，这两个人中一个是当时美国空军航空研究与发展司令部的领导弗利金杰准将，另一个是美国航宇局生命科学特别咨询委员会的主席洛夫莱斯，后者曾协助航宇局制定了“水星”计划航天员的选拔标准。这两个人认为女性上天比男性更有优势：首先，女性体重比男性轻，而且女性的耗氧量比男性少，因此女性上天可以节省更多的火箭燃料；第二，依据当时的航空生理学知识，他们认为女性在天上发生心脏病的可能性比男性小；第三，女性生殖系统对宇宙辐射的敏感性低于男性；第四，根据当时的生理数据，女性对狭小空间和长期孤独环境的耐受力也优于男性。

1959年中期，弗利金杰着手制定妇女上天计划，首先是制定女航天员的选拔标准。洛夫莱斯同时制定出女航天员选拔的生理和临床医学检查程序和要求，而且后来“水星”计划中的7名男性航天员也是按照这个程序和要求进行选拔的。

选拔实验分四个阶段进行：①从个人健康档案、人体测量数据以及飞行时间长短对候选人进行筛选；②通过一套严格的体检和生理测试，以测定候选人的体能水平和对航天飞行环境的承受能力；③通过模拟航天飞行因素，测定候选人的生理应激反应，其中包括对高加速度的耐受能力；④进行心理评估，测定候选人的心理稳定性，特别是对长期隔离以及其他心理应激环境的耐受能力。

接下来的问题是选什么样的妇女来参加航天员选拔实验。因为当时在“水星”航天员的选拔中，航宇局要求候选人必须是美国空军的喷气式飞机驾驶员，从空军的试飞员学校毕业，并且具有1500小时以上的飞行经历。但是在上世纪60年代，美国空军的试飞员学校不招收女学员，因此没有一名妇女满足这种要求。这样一来他们就决定从民航获得飞行员驾驶执照的女飞行员中挑选。从1960年9月至1961年8月，他们对全美国782名女飞行员进行筛选，其中符合条件的有25名，最后自愿参加选拔实验的有19名。

由于当时人们并不知道航天飞行会给妇女带来什么样的影响，因此除了一般的体检和生理检测的项目外，实验人员还额外设计了一些令人非常痛苦的检查：如要求被试者将一根1米长的橡皮管吞到胃里，以便抽取胃液进行化验；对被试者的前臂尺骨神经进行电击，用以检测其神经反射情况；为了诱发眩晕，医生将冰水注射进被试者的耳朵里，观看内耳冻结后恢复感觉的时间。做完这些检查，妇女们一个个精疲力竭、痛苦不堪。

实验检查的结果表明：女性对航天恶劣环境的耐受能力优于男性。在参加选拔实验的19名妇女中有13人坚持到最后，通过全部实验项目；而在对男性候选人进行相同的检查时，在32名候选人中只有18人通过全部测试。在特殊项目检查中，女性表现也优于男性，如大多数女性被试者能通过45分钟的三轴滚翻运动，而大多数男性很难完成这项实验。但是尽管有这样良好的检查结果，这13名妇女仍然被航宇局排斥在“水星”航天员队伍之外，没有机会参加“水星”航天飞行计划。因为当时美国国会和航宇局的一些官员坚决主张，航天飞行不能让妇女参加，而理由就是选拔航天员必须完全按照航天员的选拔标准，即必须是美国空军的喷气式飞机驾驶员，必须从空军的试飞员学校毕业。另外有些人还错误认为，月经周期可能会降低妇女的工作能力，因而影响航天任务的完成。

“水星”13名妇女的遭遇跟美国当时社会上普遍存在着的歧视妇女的情况是一致的。在上世纪60年代，美国只有25％的妇女有工作，妇女不能参军，妇女只有得到丈夫的同意才能到银行取款和到商场购买家具。直到1964年，美国国会才通过了男女“同工同酬”法案，之后国会又通过了民权法，该法案明确规定在就业中不得有种族和性别歧视。

总之，美国航宇局对女航天员政策的“保守期”，其特点就是将美国妇女完全排斥在载人航天飞行之外。

“开放期”

1978年美国航天员队伍向女性开放，美国航宇局开始招募女航天员。第一批女航天员共6名，是从8名候选人中选的，其中包括萨利。莱德，1983年6月第一个进入太空的美国妇女；香农·露西德，1996年3月22日乘坐阿特兰蒂斯号航天飞机进入太空，在和平号空间站生活了188天，创造了女子最长航天飞行的记录；朱迪丝。雷斯尼克，1986年1月28日在挑战者号航天飞机失事中遇难，成为第一个在太空牺牲的女性；凯瑟琳。沙丽文，是第一个完成太空行走的美国妇女；安娜。费希尔，1984年11月8日乘发现号航天飞机上天，是世界上第一位做了妈妈的女航天员；雷亚·塞登，曾三次乘坐航天飞机执行航天任务，除担任任务专家外还担任有效载荷指令长。