神十太空授课带来的思考

神十太空授课带来的思考篇1

或许有人会认为这没什么实际意义，或许还会有人认为这不过是激发青少年航天热情的太空秀。太空授课看似是很简单的一项任务，但鲜为人知的是，这需要强大的航天测控能力在背后进行支持，特别是数据中继卫星的支持。

跟踪与数据中继卫星系统是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨适测控服务的系统，简称中继系统。即一个“星-星-地”的通讯流程。

（好比：日常生活中打电话，手机先把信号给信号塔，在传到对方的手机上。之所以这样，是因为手机间的距离可能很远，手机不能把信号发送太远，需要一个中介。天宫一号就想手机，中继卫星就是信号塔。）(有人问为什么不直接把信号传到地球，答天宫一号运转很快，我们的检测站分布不够，至少需要100个，这需要巨额财产，我国不行，美国曾经试过也不行。）

中继卫星运行36000公里高度的静止轨道上，分布均匀的3颗卫星即可以基本实现对200-1200公里高度航天器运行轨道的全覆盖。相较地面、海上测控站点，数据中继卫星具有覆盖面积广、实时性高、经济性好等优点。

我国则分别在2008年和2011年发射了“天链一号”数据中继卫星的01、02星，天链一号03星在2012年7月25日发射成功，由此建立第一代数据中继卫星系统。

美国6颗

俄罗斯4颗以上

欧盟2颗

日本2颗

中国3颗

数据中继卫星是个好东西，但技术难度却相当大，美国在60年代即成功发射静止轨道通信卫星，但在约20年后才拥有数据中继卫星。我国则直至去年才建立自己的数据中继卫星系统。

1、对航天器的捕获和跟踪

（卫星运转很快不好追踪，通讯距离远、通讯波束窄，这就对跟踪精度提出了极高要求，要达到0.06度。）

2、为了与众多中低轨道卫星通信，天线处于复杂的无规则的变速运动状态，天线的机械驱动机构不仅要精度高，而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行，制造难度很大。

（天线想一个锅盖形状）

3、非线性结构的天线不规律的运动和振动，对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响，对卫星控制也提出了很大的挑战

（手里拿个大锅盖乱甩，还得保持身体不动）

4、天线制造本身也是一个难题。

（要想精确传输大量信号，需要天线面积大，需要的频率很大：对天线形状精度要求高。数米直径的抛物面天线整体形面误差要低于0.1毫米，并且要在外太空高温差条件下长期保持这样的精度，其难度可想而知。）

所以，数据中继卫星可以称得上是当今技术含量最高的通讯卫星。我国在去年完成第一代“天链一号”数据中继卫星体系的建设，今年进行“太空授课”实则是对自己航天测控实力的一次展示。

解读神十太空授课五个实验篇2

2013年6月20日上午10时11分，随着一声“同学们，你们好”的问候，在距离地面300公里的天宫一号，中国女航天员王亚平开始了迄今为止人类历史上第二次太空讲课。弯弯的柳叶眉、清澈的双眸、甜美的笑容，王亚平昨天的出镜让人眼前一亮，立刻“秒杀”亿万网友。在王亚平近乎“魔术”般手下，圆周运动的单摆、不变轴向的陀螺、晶莹剔透的水膜、红扑扑的水球，中国第一堂太空授课在趣味与惊奇中完美展现。

2007年08月14日，美国人芭芭拉·摩根在国际空间站进行了人类首次太空授课，她通过视频向学生展示了在太空运动、喝水等情景。专家称，和芭芭拉进行的太空授课相比，中国航天员的这堂太空授课，不仅科技含量更高，难度也更高。摩根太空授课的内容是介绍和演示太空生活，而王亚平授课的内容是介绍和演示物理概念，难度高于美国。据太空授课教案组介绍，太空授课计划一年前就在筹备了，本想神舟九号的时候就进行，但神九升空时间较短而且主要任务是对接任务，所以太空授课计划最终在神十实现。神十太空授课创下了两个第一：中国载人航天工程史上第一次发自太空的授课，中国学生第一次通过直播画面观看来自太空的五个失重实验。

神十太空授课为何挑选这五个实验？主要是从经典、易懂、新颖、观赏性和差异性、学生们的知识储备和兴趣等几个方面去考虑的，在弹簧秤、陀螺、单摆、金刚圈这些教具的协助下，神奇的现象应接不暇。

实验一：打开“箱子”测质量

悬空打坐、大力神功，这两招专属武林高手们的“功夫”，经过三名航天员在太空的演绎，引来了同学们的阵阵喝彩。航天员表演之后给同学们提出了疑问：在地面上，人们一般用天平、台秤等测量物体受到的重力，从而计算物体的质量。那么，失重环境下该如何测质量呢？天宫一号上配备有质量测量仪，这个质量测量仪就是设置在天宫一号舱壁的一个支架形状的装置，看上去像飞船舱壁上的一个箱子。拉开“箱子”后，聂海胜把自己固定在支架一端，王亚平轻轻拉开支架，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。在给同学们解释了应用原理之后，王亚平还给同学们布置了一道课后思考题：除了运用牛顿第二定律，还有什么办法可以在失重环境下测量物体的质量呢？

【解读】在地面上，弹簧秤提供的弹力跟重力是平衡的，不同质量的物体挂在弹簧秤上弹簧伸长不一样，即重量是不一样的。在太空，因为微重力环境，两个不同质量的物体在弹簧秤上，两个弹簧指标是平齐的。因为没有重量的概念，弹簧秤就没有读数。天宫一号里的“质量测量仪”，运用了牛顿第二定律，即物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比，这一定律在太空和地面都是成立的。据了解，这个原理在航天活动中比较常用。例如，航天器在运行中会耗损，质量会发生变化，就影响轨道控制的精确度。这时，可开启推力器，并同时测量航天器的加速度，从而准确掌握航天器的质量。

实验二：神奇单摆做圆周运动

物理课上常见的实验装置单摆受力后，是左右摇摆还是圆周运动？这个稍有物理常识的人都很容易回答的问题放在太空就变得超乎想象了。在第二个实验中，支架上细绳拴着一颗明黄色的小钢球，这就是物理课上常见的单摆。王亚平把小球轻轻拉升到一定位置放手，小球并没有出现地面上常见的往复摆动，而是停在了半空中，拴小球的细线呈弯曲状静止，将其拉高后，结果并没有发生变化。接下来，王亚平用手指沿切线方向轻推小球，小球就开始绕着支架的轴心做圆周运动，即使中心轴的角度发生改变，小球也仍然做同样的运动。而同样的动作在地面对比试验中，就需要施加足够的力，给小球一个较大的初速度，才能使它绕轴旋转。

【解读】小球单摆是一个经典的运动模型。在地面上小球单摆具有等时性，比如摆钟。在太空中由于小球失重，只剩下一个绳子的拉力，理论上说，单摆上的小球无论放在哪个位置都不会动，小球会飘浮在空中。但在实验中，小球提高到一个位置时，发生了晃动。即在太空中，如果给了小球一点初速度，小球就能在绳子的牵引下做圆周运动，如果摩擦小，这种圆周运动是匀速的。据了解，太空中的一个小动作，甚至呼吸，天宫一号设备的运转都可能造成小球运动。

实验三：陀螺轴向不变向前飞

为了证实高速旋转的陀螺在太空失重条件下的定轴特性，王亚平取出一个红黄相间的陀螺，把它静止悬放在空中。用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着飞向远处，轴向也发生了改变，期间，聂海胜也对陀螺进行了干扰。紧接着，王亚平取出一个一模一样的陀螺，通过道具让它旋转起来并悬浮在半空中，这时候再用手轻轻一推，旋转的陀螺只是轻晃一下，并不翻滚，而只是保持着固定的轴向，向前飞去。

【解读】旋转的陀螺体现出很好的定轴性，定轴性遵守角动量守恒原理，即在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定。据了解，现实生活中有很多体现，比如子弹从枪膛里出来时高速旋转，这样保持稳定性和准确性。不论在太空还是在地球，都遵守角动量守恒原理。在地面上，陀螺需要支撑物实现转动，而陀螺与支撑物之间的摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量，使其旋转速度逐渐降低，不能很好地保持旋转的方向，最终停下。在太空中，给静止的陀螺一个初速度，就会向前翻转。给正在转动的陀螺一个初速度，轴向几乎不变。据了解，利用角动量守恒定律，可以实现卫星的定向控制。而有些轿车上，就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现车身稳定度的控制。

实验四：“水膜”内嵌入中国结

在水膜实验中，王亚平拿起一个饮用水袋，打开止水夹，水并没有倾泻而出。轻挤水袋，在饮水管端口形成了一颗晶莹剔透的水珠，略微抖动水袋，水珠便悬浮在半空中。但是甩出的水珠必须用吸水纸迅速收集起来，避免乱飞影响设备安全。接着，她把一个金属圈插入装满饮用水的袋中，慢慢抽出金属圈，便形成了一个漂亮的水膜。轻轻晃动金属圈，水膜也不会破裂，只是偶尔会甩出几颗小水滴。随后，王亚平又往水膜表面贴了一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。

【解读】在地面上，只有经过处理的肥皂水等才能表现比较强的张力特性。因为地面上的液体表面张力无法抗衡地球引力的作用。液体的表面张力，使得液体表面分子有被拉入内部的趋势，导致表面就像一张绷紧的橡皮膜，是促使液体表面收缩的绷紧的力。在太空中，表面张力使水膜似橡皮膜圈在金属环里，并且比地面上形成的水膜更大、存在时间更长。据了解，液体表面张力在航天活动中有重要应用。科学家们制造了表面张力贮箱，利用表面张力推动液体推进剂流动。

实验五：普通水变身“魔法水球”

为了进一步证实液体在太空的表面张力，王亚平用金属圈重新做了一个水膜，然后用饮水袋慢慢向水膜上注水，不一会儿，水膜就变成了一个亮晶晶的大水球，水球中还有一串小气泡。聂海胜取出一支注射器，抽出水球中的小气泡。王亚平用注射器向水球内注入空气，在水球内产生了两个标准的球形气泡，气泡既没有被挤出水球也没有融合到一起，水球也没有爆裂。紧接着，王亚平又用注射器把少许红色液体注入水球，红色液体慢慢扩散开来，透明的水球就变成了粉红色。

【解读】航天员向水膜上不断注入水时，这些水就能够均匀分布在水膜周围逐渐形成水球。太空中去除了重力对物体形态的制约之外，由于分子间的相互作用，液体表面张力很明显，液体的表面积会缩到最小，也就变成了水球。在地面上由于有密度差，如果注入红色液体，扩散会有一个总体的趋势，就像鸡尾酒里的层次分明。但在太空中没有密度差，扩散就