1. 了解新型材料和新型能源在我國航天科技領(lǐng)域中的應(yīng)用，加深對物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用、能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移等的認(rèn)識2. 形成創(chuàng)新意識，進一步樹立民族自豪感
任務(wù)一 了解我國宇航產(chǎn)品的基本情況
查閱資料了解我國宇航產(chǎn)品的種類有哪些？其主要用途有哪些呢？
1.衛(wèi)星：是由人類制造并發(fā)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(xué)、軍事和商業(yè)目的，如通信衛(wèi)星（“天通一號”系列）、氣象衛(wèi)星（“風(fēng)云”系列）、遙感衛(wèi)星（“高分”系列）、導(dǎo)航衛(wèi)星（北斗導(dǎo)航）等。
衛(wèi)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(wèi)星、載人飛船、航天站或行星際探測器等送入太空預(yù)定軌道的載具。如“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
4.航天探測器：是對月球和月球以遠(yuǎn)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(xué)研究；“天問一號”，用于探測火星及其環(huán)境。
“嫦娥”系列月球探測器
“天問一號”火星探測器
根據(jù)搜集到的有關(guān)我國宇航產(chǎn)品的發(fā)展、種類和主要用途的資料，嘗試?yán)L制包含這些信息的示意圖
任務(wù)二 了解宇航產(chǎn)品的材料選擇
觀看視頻，概括運載火箭的主體系統(tǒng)有哪些？
有效載荷系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、推進系統(tǒng)
運載火箭主體結(jié)構(gòu)所使用的材料及其特點
運載火箭主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu))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。
2.鈦合金(常用于發(fā)動機、分離裝置和其他高負(fù)荷部件)特點：①耐高溫：鈦合金在高溫環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)異，適合用于發(fā)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(dāng)，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。
與組成它們的純金屬相比
資料卡片發(fā)射火箭時，火箭外殼與大氣摩擦將會產(chǎn)生上千度的高溫，因此外部涂層的選擇至關(guān)重要。RZ-1輕質(zhì)防熱涂料這種復(fù)合材料具有輕質(zhì)、防隔熱性能優(yōu)異、粘接性能高、環(huán)境友好、工藝性好等優(yōu)點，是我國首款用于運載火箭衛(wèi)星整流罩熱防護的防熱涂料，2023年，RZ-1輕質(zhì)防熱涂料及關(guān)鍵技術(shù)在我國新一代運載火箭中應(yīng)用占比已達76.9%。
什么是復(fù)合材料，復(fù)合材料有什么優(yōu)點?
復(fù)合材料是人們運用先進的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料，復(fù)合材料往往綜合了各組分性能的優(yōu)點
復(fù)合材料熱防護板(常用于火箭的熱防護系統(tǒng))特點：①耐高溫：能夠承受極高的溫度，通常用于高熱負(fù)荷的部位；②輕量化：相對于傳統(tǒng)材料，更輕，有助于減輕整體結(jié)構(gòu)重量
壓力服裝的結(jié)構(gòu)層示意圖
航天壓力服裝各層材料及作用
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(fù)合纖維)分別屬于哪類？
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(nèi)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(nèi)各種設(shè)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(jù)調(diào)查的材料信息完善示意圖。
任務(wù)三 了解宇航產(chǎn)品的能源選擇
火箭中的燃料燃燒產(chǎn)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(dāng)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(zhuǎn)化的呢？
化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為機械能
結(jié)合燃燒條件分析如何讓火箭里面的燃料燃燒起來？
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(xiàn)，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(biāo)，比沖值越高，消耗同樣質(zhì)量的燃料，產(chǎn)生的沖量越大。比沖大?。阂簹錇?45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
總結(jié)各類推進劑的優(yōu)缺點
成本低、使用方便、安全無毒
常溫下接觸即可發(fā)生反應(yīng)、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(huán)保、成本低
選擇合適的推進劑對于火箭的設(shè)計和任務(wù)成功至關(guān)重要。通常，推進劑的選擇要根據(jù)具體的任務(wù)需求、發(fā)射環(huán)境等因素進行綜合考慮。
煤油、液氧推進劑結(jié)焦、積碳的原因是什么？
使燃料充分燃燒的方法是什么?
實際過程中解決結(jié)焦、積碳的方法：
資料卡片 ①優(yōu)化燃料配方：如調(diào)整煤的成分（如降低硫含量）、研發(fā)新型添加劑改善燃料性能；②優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)：如采用分級燃燒、富氧燃燒等技術(shù)；③改善燃料噴射系統(tǒng)：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(shù)、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(xué)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(xù)高效工作，具備優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換效率，保證了空間站長期運行和科學(xué)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(qū)域的用電需求。②對于遠(yuǎn)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(xiàn)代太陽能電池板具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，且在太空中太陽光不會被大氣減弱，也不受季節(jié)、晝夜變化影響；③適用性廣：適合用于近地軌道的衛(wèi)星和空間站，但在深空探測（如遠(yuǎn)離太陽的任務(wù)）中效率會降低。
①存儲能源：鋰離子電池用于儲存電能，優(yōu)化能源使用，確保在陰影區(qū)域或太陽光不足時仍能供電；②充電和放電循環(huán)：能夠進行多次充電和放電，但存在使用壽命限制，隨著循環(huán)次數(shù)增加，性能會衰退；③廣泛應(yīng)用：幾乎所有航天器都配備鋰離子電池以確保能源供應(yīng)的可靠性。
鋰電池在長征系列運載火箭的應(yīng)用
①長效穩(wěn)定：核能（尤其是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器）能夠提供長期而穩(wěn)定的電力，適合遠(yuǎn)離太陽的深空探測任務(wù)；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(nèi)提供大量能量，適合對重量和體積要求嚴(yán)格的航天器；③安全性和管理：雖然提供穩(wěn)定的能源，但核能的使用需要嚴(yán)格的安全管理和后勤支持，以防止輻射泄漏等風(fēng)險。
“嫦娥四號”月球探測器
任務(wù)四 設(shè)想航天科技領(lǐng)域中未來的新型材料和能源
目前新型材料的發(fā)展趨勢主要集中在高性能高分子材料、特種金屬材料、輕質(zhì)高強金屬及其復(fù)合材料、先進結(jié)構(gòu)陶瓷等領(lǐng)域
航天科技領(lǐng)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(tǒng)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(lǐng)域發(fā)揮作用
2.?空間站太陽翼伸展機構(gòu)潤滑薄膜這種薄膜材料具備優(yōu)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(fā)射、海上發(fā)射環(huán)境以及長壽命航天器(如深空探測、探月、探火、星鏈衛(wèi)星等)所需的新一代空間功能涂層提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
航天科技領(lǐng)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(wèi)星發(fā)射中心成功將光因科技鈣鈦礦組件發(fā)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(yè)中的應(yīng)用潛力邁出了重要一步。鈣鈦礦太陽能電池具備效率高、質(zhì)量輕、成本低的三大優(yōu)點，它的柔性特質(zhì)還能適應(yīng)不同的彎曲弧度
2.?斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)該技術(shù)采用閉式循環(huán)往復(fù)活塞式斯特林發(fā)動機將熱能轉(zhuǎn)換為動能，再通過耦合線性交流發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)換為電能。具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、質(zhì)量輕、啟動快、振動小及噪聲低等優(yōu)點，能減少對傳統(tǒng)太陽能的依賴，在未來載人月球及深空探測等空間任務(wù)中具有廣闊應(yīng)用前景。
設(shè)想一款未來的宇航產(chǎn)品，繪制出它的外觀，并將其用途、所使用的材料、能源等標(biāo)注在圖中

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跨學(xué)科實踐活動10 調(diào)查我國航天科技領(lǐng)

版本： 人教版（2024）

年級： 九年級下冊（2024）

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