資源簡介

(共38張PPT)
調查我國航天科技領域中新型材料、新型能源的應用
目 錄
活動引入
2
展示與交流
4
活動目標
1
活動設計與實施
3
1. 了解新型材料和新型能源在我國航天科技領域中的應用，加深對物質的性質與應用、能量的轉化和轉移等的認識
2. 形成創新意識，進一步樹立民族自豪感
活動目標
活動設計與實施
任 務 一
了解我國宇航產品的基本情況
1970-04-24
東方紅一號
中國首顆人造衛星，正式拉開了中華民族探索浩瀚宇宙的序幕
1999-11-20
神舟一號
中國第一艘無人試驗飛船
2003-10-15
神舟五號
中國第一艘載人航天飛船
2007-10-24
嫦娥一號
中國首顆繞月人造衛星，標志著中國探月時代成功開啟
2024-04-25
神舟十八號
成功完成發射
2021-05-15
天問一號
成功著陸火星，是中國首次實現地外行星著陸
……
中國航天產品發展史
2011-09-29
天宮一號
中國第一個空間實驗室
2019-01-03
嫦娥四號
成功完成世界首次在月球背面軟著陸
查閱資料了解我國宇航產品的種類有哪些？其主要用途有哪些呢？
1.衛星：是由人類制造并發射到地球軌道或其他天體軌道上的航天器。通常用于各種科學、軍事和商業目的，如通信衛星（“天通一號”系列）、氣象衛星（“風云”系列）、遙感衛星（“高分”系列）、導航衛星（北斗導航）等。
“天通一號”系列
“風云”系列
“高分”系列
北斗導航
衛星、運載火箭、載人航天器、航天探測器等
2.運載火箭：用于把人造地球衛星、載人飛船、航天站或行星際探測器等送入太空預定軌道的載具。如“長征”系列運載火箭
“長征”系列運載火箭
3.載人航天器：是指用于載人航天的，在繞地球軌道或外層空間按受控飛行路線運行的飛行器，包括載人飛船、貨運飛船、空間實驗室、空間站等。航天員出艙活動穿著的艙外航天服也是一種微型航天器。如“神州”系列載人飛船、“天宮”空間站等
“神州”載人飛船
“天宮”空間站
4.航天探測器：是對月球和月球以遠的天體和空間進行探測的無人航天器和空間探測的主要工具。如“嫦娥”系列，主要用于月球探測和科學研究；“天問一號”，用于探測火星及其環境。
“嫦娥”系列月球探測器
“天問一號”火星探測器
根據搜集到的有關我國宇航產品的發展、種類和主要用途的資料，嘗試繪制包含這些信息的示意圖
任 務 二
了解宇航產品的材料選擇
觀看視頻，概括運載火箭的主體系統有哪些？
有效載荷系統、制導系統、推進系統
火箭
運載火箭主體結構所使用的材料及其特點
運載火箭主體結構使用的材料通常在強度、重量和耐高溫等方面具有特殊要求。以下是一些常用的材料及其特點：
1.鋁合金(常用于火箭殼體和燃料箱等結構)
特點：①輕量化：相比于鋼材，鋁合金更加輕便，能夠降低火箭整體重量；②高強度：在一定厚度下，鋁合金具有良好的強度，適合承受高壓；③良好的抗腐蝕性：鋁合金在空氣中形成一層氧化膜，能夠抵抗一定程度的腐蝕。
外殼：鋁合金
為什么使用鋁合金呢？
發動機：鈦合金
2.鈦合金(常用于發動機、分離裝置和其他高負荷部件)
特點：①耐高溫：鈦合金在高溫環境下表現優異，適合用于發動機部件；
②高強度：鈦合金的強度比鋁合金更高，能夠承受更大的壓力和溫度；
③低密度：它的強度與鋼材相當，但其重量僅為鋼材的57%。
長征系列火箭用鈦合金氣瓶
什么是合金？合金和金屬相比具有哪些特性？
在純金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬，就可以制得具有金屬特征的合金。
至少含有一種金屬
物理變化
純金屬
金屬
合金
金屬
其他金屬或非金屬
與組成它們的純金屬相比
與組成它們的純金屬相比
合金的性能
強度和硬度更高
抗腐蝕性更強
熔點低
三增
一降
一般情況下
資料卡片
發射火箭時，火箭外殼與大氣摩擦將會產生上千度的高溫，因此外部涂層的選擇至關重要。RZ-1輕質防熱涂料這種復合材料具有輕質、防隔熱性能優異、粘接性能高、環境友好、工藝性好等優點，是我國首款用于運載火箭衛星整流罩熱防護的
防熱涂料，2023年，RZ-1輕質防熱涂
料及關鍵技術在我國新一代運載火箭
中應用占比已達76.9%。
什么是復合材料，復合材料有什么優點
什么是復合材料，復合材料有什么優點
復合材料是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優化組合而成的新材料，復合材料往往綜合了各組分性能的優點
復合材料熱防護板
(常用于火箭的熱防護系統)
特點：①耐高溫：能夠承受極高的溫度，通常用于高熱負荷的部位；
②輕量化：相對于傳統材料，更輕，有助于減輕整體結構重量
顯示與控制模塊
太空背包
(生保系統)
航天頭盔：
聚碳酸酯(PC塑料):
高抗沖擊性
表面涂金:隔熱、
阻擋宇宙射線
你知道航天服是由哪些部分組成嗎？
壓力服裝的結構層示意圖
壓力服裝
航天服
航天手套
安全繩:
內含鋼纜，可承受一定的拉力
內衣舒適層：純棉制成，吸汗、透氣，提供舒適的貼身感受
航天壓力服裝各層材料及作用
限制層：能限制服裝膨脹，方便關節活動
隔熱層：多采用鍍鋁聚酯薄膜，可以阻擋外界的高溫或低溫，且
具有保溫效果
外防護層：采用特氟龍復合纖維（聚四氟乙烯涂覆玻璃纖維布）等，就像一層防彈衣，能防輻射，緩沖小隕石撞擊
主氣密層和備份氣密層：合成橡膠或合成材料，維持航天服內
部氣壓
思考：1.材料分為哪幾類，航天服中用到的材料(金、鋼纜、純棉、合成橡膠、特氟龍復合纖維)分別屬于哪類？
材料
金屬材料
復合材料
有機高分子材料
無機非金屬材料
純金屬
合金
天然有機
高分子材料
合成有機
高分子材料
純棉
天然有機高分子材料
合成橡膠
合成有機高分子材料
特氟龍復合纖維
復合材料
鋼纜
合金
金
純金屬
2.舒適層是由特殊防靜電處理的棉布制成的，艙外航天服內為什么要防止靜電呢？
3.外防護層是由特殊紡織面料制成的，可以防止微隕石的撞擊，這層特殊的紡織面料具有哪些特性？
保證航天服內各種設備儀器正常工作(合理即可)
強度大、耐撞擊、韌性好(合理即可)
根據調查的材料信息完善示意圖。
任 務 三
了解宇航產品的能源選擇
火箭為什么能升空？
火箭的能源
火箭中的燃料燃燒產生高溫高壓氣體，
這種氣體以極高的速度從火箭尾部的
噴管向外噴射。當氣體高速向后噴出
時，會給火箭一個向前的反作用力，
這個反作用力推動火箭向上運動。
火箭升空的過程中能量是如何轉化的呢？
化學能轉化為內能，內能再轉化為機械能
結合燃燒條件分析如何讓火箭里面的燃料燃燒起來？
可燃物 + 助燃物 生成物 + 能量
溫度達到
著火點
推進劑
1.火箭燃燒既需要燃料，又需要氧化劑提供氧
2.達到燃料的著火點：通常通過點火裝置來實現，例如電火花、高溫火焰等。
推進劑被稱為火箭的血液。目前火箭的推進劑有哪些？
資料卡片 比沖
比沖是衡量火箭燃燒效率的指標，比沖值越高，消耗同樣質量的燃料，產生的沖量越大。比沖大小：液氫為445秒，煤油為300~344秒，甲烷為390秒、偏二甲肼、四氧化二氮(約300秒)。
煤油、液氧；
液氫、液氧；
偏二甲肼、四氧化二氮；
甲烷、液氧等
燃
燒
劑
氧化劑
總結各類推進劑的優缺點
推進劑種類 優點 缺點
煤油、液氧
液氫、液氧
四氧化二氮、 偏二甲肼
液氧、甲烷
成本低、使用方便、安全無毒
存在結焦等問題
比沖高、環保
不易貯存、技術要求高
常溫下接觸即可發生反應、易于貯存
偏二甲肼和四氧化二氮有毒
比沖高、冷卻能力強、環保、成本低
不易貯存、技術要求高
選擇合適的推進劑對于火箭的設計和任務成功至關重要。通常，推進劑的選擇要根據具體的任務需求、發射環境等因素進行綜合考慮。
煤油、液氧推進劑結焦、積碳的原因是什么？
燃料沒有充分燃燒
使燃料充分燃燒的方法是什么
使燃料充分燃燒的方法
燃料與空氣要有足夠大的接觸面積
燃燒時要有足夠的空氣（或氧氣）
實際過程中解決結焦、積碳的方法：
資料卡片
①優化燃料配方：如調整煤的成分（如降低硫含量）、研發新型添加劑改善燃料性能；
②優化燃燒室結構：如采用分級燃燒、富氧燃燒等技術；
③改善燃料噴射系統：提高燃料噴射的壓力、精度和將霧化效果
提供充足的氧氣；
增大煤油與氧氣的接觸面積
采用富氧燃燒技術、在燃料進入燃燒室之前將煤油噴成霧狀的方法使煤燃燒更充分涉及的化學原理是什么？
推進劑由右下角入口注入，由噴注盤流出并霧化
航天器中開展工作的能源
資料卡片
①中國天宮空間站主要依靠太陽能作為能源，配備了砷化鎵太陽能電池和鋰電池。展開后的太陽能電池板能夠在太空中持續高效工作，具備優異的能量轉換效率，保證了空間
站長期運行和科學實驗的用電需求。同
時，空間站還配置了鋰電池，以滿足在
陰影區域的用電需求。
②對于遠離太陽的探測器，如“嫦娥四號”月球探測器號，通常使用核能提供電力。
太陽能、鋰離子電池、核能的特點
①清潔可再生：太陽能是一種清潔且可再生的能源來源，只要太陽能板處于陽光照射下，就可以不斷獲得能量；
②高效率：現代太陽能電池板具有較高的能量轉換效率，且在太空中太陽光不會被大氣減弱，也不受季節、晝夜變化影響；
③適用性廣：適合用于近地軌道的衛星和空間站，但在深空探測（如遠離太陽的任務）中效率會降低。
太陽能
①存儲能源：鋰離子電池用于儲存電能，優化能源使用，確保在陰影區域或太陽光不足時仍能供電；
②充電和放電循環：能夠進行多次充電和放電，但存在使用壽命限制，隨著循環次數增加，性能會衰退；
③廣泛應用：幾乎所有航天器都配備鋰
離子電池以確保能源供應的可靠性。
鋰離子電池
鋰電池在長征系列
運載火箭的應用
鋰電池放電過程中的能量轉化是什么？
由化學能轉化為電能
①長效穩定：核能（尤其是放射性同位素熱電發生器）能夠提供長期而穩定的電力，適合遠離太陽的深空探測任務；
②能量密度高：核能源具有極高的能量密度，可以在小體積內提供大量能量，適合對重量和體積要求嚴格的航天器；
③安全性和管理：雖然提供穩定的
能源，但核能的使用需要嚴格的安
全管理和后勤支持，以防止輻射泄
漏等風險。
核發電
“嫦娥四號”月球探測器
根據調查到的能源信息，進一步完善示意圖
任 務 四
設想航天科技領域中未來的新型材料和能源
目前新型材料的發展趨勢主要集中在高性能高分子材料、特種金屬材料、輕質高強金屬及其復合材料、先進結構陶瓷等領域
航天科技領域中的新型材料
1. 高抗疲勞3D打印鈦合金
通過熱處理工藝窗口處理，制備出幾乎無氣孔的鈦合金材料，相對于傳統3D打印材料具有天然超高抗疲勞性能和韌性，未來有望在航空航天領域發揮作用
2. 空間站太陽翼伸展機構潤滑薄膜
這種薄膜材料具備優異的耐濕熱、抗氧化、抗輻照等性能。該薄膜為我國未來的濱海發射、海上發射環境以及長壽命航天器(如深空探測、探月、探火、星鏈衛星等)所需的新一代空間功能涂層提供了技術基礎。
航天科技領域中的新型能源
1. 鈣鈦礦太陽能電池
2024年5月31日酒泉衛星發射中心成功將光因科技鈣鈦礦組件發射到太空，開啟繞地軌道運行測試，向進一步探索鈣鈦礦太陽能電池在未來太空事業中的應用潛力邁出了重要一步。
鈣鈦礦太陽能電池具備效率高、質量
輕、成本低的三大優點，它的柔性特質
還能適應不同的彎曲弧度
2. 斯特林熱電轉換技術
該技術采用閉式循環往復活塞式斯特林發動機將熱能轉換為動能，再通過耦合線性交流發電機將動能轉換為電能。具有結構簡單、效率高、質量輕、啟動快、振動小及噪聲
低等優點，能減少對傳統太陽能的依賴，
在未來載人月球及深空探測等空間任務
中具有廣闊應用前景。
設想一款未來的宇航產品，繪制出它的外觀，并將其用途、所使用的材料、能源等標注在圖中
展示與交流
1. 展示最終形成的示意圖，交流并嘗試總結宇航產品在材料和能源選擇時的一般思路
2. 介紹你設想的未來的宇航產品，說明設計思路，并討論未來航天科技領域新型材料和能源可能的發展方向

展開更多......

收起↑