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第十一单元化学与社会跨学科实践活动10调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用
活动目标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,树立民族自豪感。2.加深对物质的性质与应用、能量的转化和转移等的认识。3.通过设想未来新型材料和新型能源,形成创新意识。
活动设计与实施任务一了解我国宇航产品的基本情况1.我国宇航产品主要分为火箭和航天器。查阅资料,了解我国宇航产品的发展。
活动设计与实施
活动设计与实施知识链接:火箭是火箭发动机喷射工质(工作介质)产生的反作用力向前推进的飞行器。它自身携带全部推进剂,不依赖外界工质产生推力,可以在稠密大气层内,也可以在稠密大气层外飞行,是实现航天飞行的运载工具。
活动设计与实施航天器,又称空间飞行器、太空飞行器。按照天体力学的规律在太空运行,执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。航天器基本上都在太阳系内运行。
活动设计与实施2.请调研火箭和航天器的种类及主要用途。尝试绘制包含这些信息的示意图。
活动设计与实施知识链接:选择宇航产品的材料时需考虑的问题:(1)宇航产品的环境:空间环境,发射和返回环境。(2)材料的理化指标:比刚度、比强度、密度和耐热性。
活动设计与实施空间环境主要包括超低温、强辐射、高真空,还有高速运动的尘埃、微流星体和流动星体及绕地球高速运转的“太空垃圾”。发射和返回环境包括加速度环境、振动环境、噪声环境、冲击环境等,航天器高速飞行时与大气层产生摩擦,其热量甚至能够达到2000℃以上。
活动设计与实施烧蚀材料的作用:隔热保护、冷却效应、气动稳定(改变航天器表面的气动特性,减少空气摩擦所带来的破坏力)。比强度:材料的抗拉强度与密度的比值。比刚度:材料的弹性模量与密度的比值。航天飞行器的重量每减少1公斤,可使运载火箭减轻500公斤。
活动设计与实施任务二了解宇航产品的材料选择1.查阅资料,结合金属材料和高分子材料等知识,选择一款宇航产品,了解并分析其主体结构、外部涂层、功能部件等所使用的材料及其特点。(以下内容仅供参考)神舟十二号飞船的材料及特点
活动设计与实施
活动设计与实施2.根据调查的材料信息完善示意图。
活动设计与实施任务三了解宇航产品的能源选择1.火箭的能源。查阅资料,结合燃烧、能量等知识,了解并分析火箭的推进剂,说明不同推进剂的特点。(1)调查目前用到的火箭推进剂中的燃料,从比冲、能源类别、存储情况、是否环保、是否广泛使用的角度认识推进剂(至少选择两个角度进行分析)。
活动设计与实施
活动设计与实施特别提醒:比冲:单位推进剂的量所产生的冲量,可以理解为1kg的燃料产生1kg力的推力可以持续的时间(秒数),国际单位为秒(s)。比冲越高,意味着相同质量的燃料火箭能获得更多动量,最终的速度越快,典型的固体火箭发动机的比冲量可以达到290秒,液体火箭主发动机的比冲量则是300至453秒。例如“比冲量可以达到290秒”是指火箭喷出的燃料的速度可以达到2900m/s。
活动设计与实施(2)根据信息写出下列推进剂使用时反应的化学方程式及能量转化。
活动设计与实施(3)当前的研究方向由碳氢燃料转化为高密度液体碳氢燃料。查阅资料,了解高密度液体碳氢燃料的优势(能结合飞行器的实际情况进行表达即可)。高密度液体碳氢燃料具有更高的质量密度和体积热值,在发动机燃料箱容积有限的情况下,能有效增加所携带的能量,降低发动机油耗比,满足高航速、大载荷和远射程的要求;或在保持性能不变的情况下,减小燃料箱容积,实现飞行器小型化,提高机动性和突防能力。
活动设计与实施方法指导:对比高密度液体碳氢燃料和碳氢燃料,了解其突出优点和研究进展。
活动设计与实施2.调研航天器的能源。查阅资料,了解并分析人造卫星、宇宙飞船、空间探测器、空间站等航天器在开展工作时所使用的能源种类及其特点。
活动设计与实施知识链接:高密度液体碳氢燃料是为提高航空航天飞行器性能(航程,载荷,速度)而人工合成的燃料。
活动设计与实施3.根据调查的能源信息进一步完善示意图。
活动设计与实施
活动设计与实施知识拓展:“斯特林热电转换试验装置”顺利完成我国首次技术在轨试验,热电转换效率等综合技术指标达到国际先进水平。该系统具有结构简单、效率高、质量轻、启动快、振动小及噪声低等优点,将热能高效转化为电能,能够减少对传统太阳能的依赖。在未来载人登月及深空探测等空间任务中,具有广阔应用前景。
活动设计与实施任务四设想航天科技领域中未来的新型材料和能源1.调查研究目前正处于试验阶段的新型材料,并了解其面临的挑战。(选择一种材料加以阐述)
活动设计与实施2.展望我国航天科技中新型能源的未来发展方向。未来太空能源的发展趋势:①提高能源系统的效率和可靠性;②减少对
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