资源简介

(共38张PPT)
调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用
目 录
活动引入
2
展示与交流
4
活动目标
1
活动设计与实施
3
1. 了解新型材料和新型能源在我国航天科技领域中的应用，加深对物质的性质与应用、能量的转化和转移等的认识
2. 形成创新意识，进一步树立民族自豪感
活动目标
活动设计与实施
任 务 一
了解我国宇航产品的基本情况
1970-04-24
东方红一号
中国首颗人造卫星，正式拉开了中华民族探索浩瀚宇宙的序幕
1999-11-20
神舟一号
中国第一艘无人试验飞船
2003-10-15
神舟五号
中国第一艘载人航天飞船
2007-10-24
嫦娥一号
中国首颗绕月人造卫星，标志着中国探月时代成功开启
2024-04-25
神舟十八号
成功完成发射
2021-05-15
天问一号
成功着陆火星，是中国首次实现地外行星着陆
……
中国航天产品发展史
2011-09-29
天宫一号
中国第一个空间实验室
2019-01-03
嫦娥四号
成功完成世界首次在月球背面软着陆
查阅资料了解我国宇航产品的种类有哪些？其主要用途有哪些呢？
1.卫星：是由人类制造并发射到地球轨道或其他天体轨道上的航天器。通常用于各种科学、军事和商业目的，如通信卫星（“天通一号”系列）、气象卫星（“风云”系列）、遥感卫星（“高分”系列）、导航卫星（北斗导航）等。
“天通一号”系列
“风云”系列
“高分”系列
北斗导航
卫星、运载火箭、载人航天器、航天探测器等
2.运载火箭：用于把人造地球卫星、载人飞船、航天站或行星际探测器等送入太空预定轨道的载具。如“长征”系列运载火箭
“长征”系列运载火箭
3.载人航天器：是指用于载人航天的，在绕地球轨道或外层空间按受控飞行路线运行的飞行器，包括载人飞船、货运飞船、空间实验室、空间站等。航天员出舱活动穿着的舱外航天服也是一种微型航天器。如“神州”系列载人飞船、“天宫”空间站等
“神州”载人飞船
“天宫”空间站
4.航天探测器：是对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人航天器和空间探测的主要工具。如“嫦娥”系列，主要用于月球探测和科学研究；“天问一号”，用于探测火星及其环境。
“嫦娥”系列月球探测器
“天问一号”火星探测器
根据搜集到的有关我国宇航产品的发展、种类和主要用途的资料，尝试绘制包含这些信息的示意图
任 务 二
了解宇航产品的材料选择
观看视频，概括运载火箭的主体系统有哪些？
有效载荷系统、制导系统、推进系统
火箭
运载火箭主体结构所使用的材料及其特点
运载火箭主体结构使用的材料通常在强度、重量和耐高温等方面具有特殊要求。以下是一些常用的材料及其特点：
1.铝合金(常用于火箭壳体和燃料箱等结构)
特点：①轻量化：相比于钢材，铝合金更加轻便，能够降低火箭整体重量；②高强度：在一定厚度下，铝合金具有良好的强度，适合承受高压；③良好的抗腐蚀性：铝合金在空气中形成一层氧化膜，能够抵抗一定程度的腐蚀。
外壳：铝合金
为什么使用铝合金呢？
发动机：钛合金
2.钛合金(常用于发动机、分离装置和其他高负荷部件)
特点：①耐高温：钛合金在高温环境下表现优异，适合用于发动机部件；
②高强度：钛合金的强度比铝合金更高，能够承受更大的压力和温度；
③低密度：它的强度与钢材相当，但其重量仅为钢材的57%。
长征系列火箭用钛合金气瓶
什么是合金？合金和金属相比具有哪些特性？
在纯金属中加热熔合某些金属或非金属，就可以制得具有金属特征的合金。
至少含有一种金属
物理变化
纯金属
金属
合金
金属
其他金属或非金属
与组成它们的纯金属相比
与组成它们的纯金属相比
合金的性能
强度和硬度更高
抗腐蚀性更强
熔点低
三增
一降
一般情况下
资料卡片
发射火箭时，火箭外壳与大气摩擦将会产生上千度的高温，因此外部涂层的选择至关重要。RZ-1轻质防热涂料这种复合材料具有轻质、防隔热性能优异、粘接性能高、环境友好、工艺性好等优点，是我国首款用于运载火箭卫星整流罩热防护的
防热涂料，2023年，RZ-1轻质防热涂
料及关键技术在我国新一代运载火箭
中应用占比已达76.9%。
什么是复合材料，复合材料有什么优点
什么是复合材料，复合材料有什么优点
复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料，复合材料往往综合了各组分性能的优点
复合材料热防护板
(常用于火箭的热防护系统)
特点：①耐高温：能够承受极高的温度，通常用于高热负荷的部位；
②轻量化：相对于传统材料，更轻，有助于减轻整体结构重量
显示与控制模块
太空背包
(生保系统)
航天头盔：
聚碳酸酯(PC塑料):
高抗冲击性
表面涂金:隔热、
阻挡宇宙射线
你知道航天服是由哪些部分组成吗？
压力服装的结构层示意图
压力服装
航天服
航天手套
安全绳:
内含钢缆，可承受一定的拉力
内衣舒适层：纯棉制成，吸汗、透气，提供舒适的贴身感受
航天压力服装各层材料及作用
限制层：能限制服装膨胀，方便关节活动
隔热层：多采用镀铝聚酯薄膜，可以阻挡外界的高温或低温，且
具有保温效果
外防护层：采用特氟龙复合纤维（聚四氟乙烯涂覆玻璃纤维布）等，就像一层防弹衣，能防辐射，缓冲小陨石撞击
主气密层和备份气密层：合成橡胶或合成材料，维持航天服内
部气压
思考：1.材料分为哪几类，航天服中用到的材料(金、钢缆、纯棉、合成橡胶、特氟龙复合纤维)分别属于哪类？
材料
金属材料
复合材料
有机高分子材料
无机非金属材料
纯金属
合金
天然有机
高分子材料
合成有机
高分子材料
纯棉
天然有机高分子材料
合成橡胶
合成有机高分子材料
特氟龙复合纤维
复合材料
钢缆
合金
金
纯金属
2.舒适层是由特殊防静电处理的棉布制成的，舱外航天服内为什么要防止静电呢？
3.外防护层是由特殊纺织面料制成的，可以防止微陨石的撞击，这层特殊的纺织面料具有哪些特性？
保证航天服内各种设备仪器正常工作(合理即可)
强度大、耐撞击、韧性好(合理即可)
根据调查的材料信息完善示意图。
任 务 三
了解宇航产品的能源选择
火箭为什么能升空？
火箭的能源
火箭中的燃料燃烧产生高温高压气体，
这种气体以极高的速度从火箭尾部的
喷管向外喷射。当气体高速向后喷出
时，会给火箭一个向前的反作用力，
这个反作用力推动火箭向上运动。
火箭升空的过程中能量是如何转化的呢？
化学能转化为内能，内能再转化为机械能
结合燃烧条件分析如何让火箭里面的燃料燃烧起来？
可燃物 + 助燃物 生成物 + 能量
温度达到
着火点
推进剂
1.火箭燃烧既需要燃料，又需要氧化剂提供氧
2.达到燃料的着火点：通常通过点火装置来实现，例如电火花、高温火焰等。
推进剂被称为火箭的血液。目前火箭的推进剂有哪些？
资料卡片 比冲
比冲是衡量火箭燃烧效率的指标，比冲值越高，消耗同样质量的燃料，产生的冲量越大。比冲大小：液氢为445秒，煤油为300~344秒，甲烷为390秒、偏二甲肼、四氧化二氮(约300秒)。
煤油、液氧；
液氢、液氧；
偏二甲肼、四氧化二氮；
甲烷、液氧等
燃
烧
剂
氧化剂
总结各类推进剂的优缺点
推进剂种类 优点 缺点
煤油、液氧
液氢、液氧
四氧化二氮、 偏二甲肼
液氧、甲烷
成本低、使用方便、安全无毒
存在结焦等问题
比冲高、环保
不易贮存、技术要求高
常温下接触即可发生反应、易于贮存
偏二甲肼和四氧化二氮有毒
比冲高、冷却能力强、环保、成本低
不易贮存、技术要求高
选择合适的推进剂对于火箭的设计和任务成功至关重要。通常，推进剂的选择要根据具体的任务需求、发射环境等因素进行综合考虑。
煤油、液氧推进剂结焦、积碳的原因是什么？
燃料没有充分燃烧
使燃料充分燃烧的方法是什么
使燃料充分燃烧的方法
燃料与空气要有足够大的接触面积
燃烧时要有足够的空气（或氧气）
实际过程中解决结焦、积碳的方法：
资料卡片
①优化燃料配方：如调整煤的成分（如降低硫含量）、研发新型添加剂改善燃料性能；
②优化燃烧室结构：如采用分级燃烧、富氧燃烧等技术；
③改善燃料喷射系统：提高燃料喷射的压力、精度和将雾化效果
提供充足的氧气；
增大煤油与氧气的接触面积
采用富氧燃烧技术、在燃料进入燃烧室之前将煤油喷成雾状的方法使煤燃烧更充分涉及的化学原理是什么？
推进剂由右下角入口注入，由喷注盘流出并雾化
航天器中开展工作的能源
资料卡片
①中国天宫空间站主要依靠太阳能作为能源，配备了砷化镓太阳能电池和锂电池。展开后的太阳能电池板能够在太空中持续高效工作，具备优异的能量转换效率，保证了空间
站长期运行和科学实验的用电需求。同
时，空间站还配置了锂电池，以满足在
阴影区域的用电需求。
②对于远离太阳的探测器，如“嫦娥四号”月球探测器号，通常使用核能提供电力。
太阳能、锂离子电池、核能的特点
①清洁可再生：太阳能是一种清洁且可再生的能源来源，只要太阳能板处于阳光照射下，就可以不断获得能量；
②高效率：现代太阳能电池板具有较高的能量转换效率，且在太空中太阳光不会被大气减弱，也不受季节、昼夜变化影响；
③适用性广：适合用于近地轨道的卫星和空间站，但在深空探测（如远离太阳的任务）中效率会降低。
太阳能
①存储能源：锂离子电池用于储存电能，优化能源使用，确保在阴影区域或太阳光不足时仍能供电；
②充电和放电循环：能够进行多次充电和放电，但存在使用寿命限制，随着循环次数增加，性能会衰退；
③广泛应用：几乎所有航天器都配备锂
离子电池以确保能源供应的可靠性。
锂离子电池
锂电池在长征系列
运载火箭的应用
锂电池放电过程中的能量转化是什么？
由化学能转化为电能
①长效稳定：核能（尤其是放射性同位素热电发生器）能够提供长期而稳定的电力，适合远离太阳的深空探测任务；
②能量密度高：核能源具有极高的能量密度，可以在小体积内提供大量能量，适合对重量和体积要求严格的航天器；
③安全性和管理：虽然提供稳定的
能源，但核能的使用需要严格的安
全管理和后勤支持，以防止辐射泄
漏等风险。
核发电
“嫦娥四号”月球探测器
根据调查到的能源信息，进一步完善示意图
任 务 四
设想航天科技领域中未来的新型材料和能源
目前新型材料的发展趋势主要集中在高性能高分子材料、特种金属材料、轻质高强金属及其复合材料、先进结构陶瓷等领域
航天科技领域中的新型材料
1. 高抗疲劳3D打印钛合金
通过热处理工艺窗口处理，制备出几乎无气孔的钛合金材料，相对于传统3D打印材料具有天然超高抗疲劳性能和韧性，未来有望在航空航天领域发挥作用
2. 空间站太阳翼伸展机构润滑薄膜
这种薄膜材料具备优异的耐湿热、抗氧化、抗辐照等性能。该薄膜为我国未来的滨海发射、海上发射环境以及长寿命航天器(如深空探测、探月、探火、星链卫星等)所需的新一代空间功能涂层提供了技术基础。
航天科技领域中的新型能源
1. 钙钛矿太阳能电池
2024年5月31日酒泉卫星发射中心成功将光因科技钙钛矿组件发射到太空，开启绕地轨道运行测试，向进一步探索钙钛矿太阳能电池在未来太空事业中的应用潜力迈出了重要一步。
钙钛矿太阳能电池具备效率高、质量
轻、成本低的三大优点，它的柔性特质
还能适应不同的弯曲弧度
2. 斯特林热电转换技术
该技术采用闭式循环往复活塞式斯特林发动机将热能转换为动能，再通过耦合线性交流发电机将动能转换为电能。具有结构简单、效率高、质量轻、启动快、振动小及噪声
低等优点，能减少对传统太阳能的依赖，
在未来载人月球及深空探测等空间任务
中具有广阔应用前景。
设想一款未来的宇航产品，绘制出它的外观，并将其用途、所使用的材料、能源等标注在图中
展示与交流
1. 展示最终形成的示意图，交流并尝试总结宇航产品在材料和能源选择时的一般思路
2. 介绍你设想的未来的宇航产品，说明设计思路，并讨论未来航天科技领域新型材料和能源可能的发展方向

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