韩国第一本介绍太空探索学的书籍

涵盖众多与太空科学相关的知识

由天体物理学家金成洙教授撰写

 

★只要想象过一次宇宙探险，就必须要读的书★

 

现今，太空探索不再是未知的领域。科学、工程、产业结合在严谨的计算下实际进行着激烈的探索活动。如今，NASA正在通过“阿尔忒弥斯计划”再次将人类送回月球，并计划建造“月球门户”太空站。此外，还计划建立月球观测站，以探索更远的太空，并扩展探索范围。尤其是在月球、火星、小行星等地寻找可利用的资源，开启了新的太空产业时代，许多私人企业纷纷加入其中。在这个新太空时代，我们是否已经做好了充足的知识和精神准备前往眼前的太空呢？

 

如何用更少的燃料摆脱强大的地球引力？如何以最小的成本将货物和人员运送到地球轨道？着陆彗星并采集资源的利与弊，以及在近地轨道空间中探索地球附近的太空等，这些都是可以想象的变数，以及模拟各种轨道的太空探索学基础和实践。如果你对所有人都在谈论的太空问题产生了兴趣，但又不知道从何开始，那么这本书就是答案。

 

▶ 作者金成洙教授是一位在太空探索领域具有专业活动的天体物理学家，是韩国月球天文学的先驱者。他担任了NASA CLPS计划（商业月球有效载荷服务，该计划为美国国内私营企业提供将登月着陆器从制造到着陆月球表面等机会）的“月球地表三维成像相机”科学负责人，从而提高了韩国的月球天文学地位。此外，他还是首个完整制作出月球表面地图的“大地视场偏振相机”的科学负责人。由于韩国“达努里”（Danuri）月球探测器广角偏振相机（PolCam）被科学家们誉为“最值得期待的搭载设备”，所以所有人都在关注其结果。金成洙教授还致力于在韩国全新领域——月球天文学中，培养了许多学生，并拓展了太空探索研究的视野。基于这样的学术和教育背景，他将丰富的经验整理得井井有条，并出版了《太空探索手册》。

 

从火箭经济学到轨道物理学

初识太空探索手册

 

“为什么乘坐飞机升空后发射火箭不如想象中高效？为什么卫星静止轨道的高度（35,800公里）与比之更远的月球轨道相比费用相似？将类似激光的光束射向探测器以获得推力真的不可能吗？太空电梯只是想象吗？在月球、火星、小行星等地寻找可利用的资源是否经济合算？这真的是必要的吗？”

 

本书的目的是培养读者对当前活跃的太空探索主题具有科学的洞察力和见解，并直接解答基础物理问题。如果之前在天文学、物理学、工程学和经济学等领域零散地涉及过太空探索，那么作者将这些知识整合为一个实用学科——太空探索学。在新太空时代来临之际，太空产业需要解决复杂的问题，并找到突破口。本书将引导读者提出明确的问题，并介绍如何用科学的语言来回答。最终，作者将读者引领到从理论到实践的自由掌握物理学的阶段。

 

《太空探索手册》既是大众科学读物，也足以成为大学通识课程的教材。此外，它也可作为太空探索的入门书、专业课程或职业选择方面的参考书。本书假设读者具有大学一年级水平的基础物理学知识，但如果参考作者亲自制作的各种图表和图形，任何人都可以轻松地跟随内容。对于那些对太空科学感兴趣但认为物理学相对薄弱的人来说，书中每章末尾的简洁核心说明和总结将会很有帮助。

 

汇集前往太空所需的最高效知识

为太空探索提供了正确的实用物理解答。

 

“为什么要使用多级火箭？固体燃料和液体燃料的优缺点是什么？火箭排放气体的速度、燃烧效率和推力之间的关系如何？如何找到产生最佳轨道的发射场？为了进入所需轨道，需要进行几次过渡？JWST到达拉格朗日L2点的意义是什么？最终如何到达所需的天体？”

 

《太空探索手册》从冷战时代的太空竞赛开始，一直延伸到21世纪，概述了人类在未知空间中的探索历程。从过去那些必须死记硬背的公式和理论，以及过去的科学家们为了离开地球所作的思考，到如今由现代自然科学家以引人入胜的方式发掘出来的内容。如今，那些曾经只是数行公式的契谢夫斯基古老的火箭方程式，以及一张草图所展示的多级火箭，都得以在现实中得到实现，展现出科学幻想的惊人力量。

 

作者从专家的角度逐步解释了目前太空探索中最重要的内容，包括大气和排放气体的流体动力学，不同类型的火箭推进系统，行星间导航，以及克服地球引力等实用性极高的公式。此外，他还仔细探讨了实地工作者所思考的问题及其原因，并以合理的方式进行计算。对于那些对这一领域感兴趣的“太空迷”们来说，纸上的公式以及形成轨道和实现火箭、太空船等在纸上的特殊经历将是难以忘怀的体验。

 

涉及关于最新太空探索重要议题的理论基础

包含专家们在实际工作时考虑的事项和各种实战案例。

 

一次难忘的体验是如何诞生的：可重复使用火箭的着陆？SpaceX猎鹰9和猎鹰重型的引擎推力，维珍银河、蓝色起源的亚轨道太空旅行，艾克西姆太空的空间站，达努里的低能量过渡方法，以及从诺洛太空中心发射的火箭轨道等。这些庞大的项目中有许多参与者，它们都以什么样的理论作为支撑呢？本书在详细了解实地工作人员们思考的部分及其原因后，将以严谨的态度仔细审视这些生动的现场。这也是一个了解知识不是被困在教科书中的，而是在最新科技领域中实际应用的机会。由NASA CLPS计划、韩国“达努里”（Danuri）等重要科技项目负责的作者，在展示了华丽成果的背后，将数字和公式展示在人们面前，鼓励读者运用他们自己磨砺出来的科学知识进行实践。对于那些曾经梦想过太空探索的人来说，这本书不仅是必修的物理学学习材料，也是独一无二的指南。

金成洙（김성수）

韩国庆熙大学人文学院及宇宙探索系教授。毕业于庆熙大学宇宙科学系，在美国UC伯克利获得金融工学硕士学位，在UCLA获得天文学博士学位后，在美国STScI(Space Telescope Science Institute)担任研究员。

从2003年开始在庆熙大学担任教授，目前担任韩国“达努里”（Danuri）月球探测器广角偏振相机（PolCam）及NASA CLPS项目的月球表土三维影像相机科学负责人。 他历任天文学SCI期刊《韩国天文学会刊(Journal of Korean Astronomical Society)》的编辑委员长，曾出演tvN《赤裸的世界史》节目“21世纪宇宙霸权战争”篇。

引言

本书使用说明书

变量和常数列表

 

第一部分 新太空时代的开始

 

1.1 冷战时代的太空探索

1.2 1990年代后的太空探索

1.3 民用太空探索企业的出现

1.4 新太空时代

1.5 21世纪的“大航海”——太空探索

 

第二部分 乘飞机上天

 

2.1 机翼截面的形状

2.2 升力和阻力

2.3 重力和推力

2.4 升力的大小

2.5 阻力的大小

2.6 喷气发动机的原理

2.7 飞机的高度限制

总结

 

第三部分 乘火箭上天

 

3.1 火箭的原理

3.2 推力

3.3 火箭方程式

3.4 喷管的原理

3.5 喷管的大小

3.6 推进剂和燃烧

3.7 推进剂的种类

3.8 多级火箭的必要性

3.9 火箭的推力

3.10 空中火箭发射

总结

 

第四部分 乘太空电梯上天

 

4.1 太空电梯的基本概念

4.2 索的重心

4.3 离开太空电梯的物体运动

4.4 索的张力和截面积

4.5 索的材料

4.6 索的质量和平衡块

4.7 乘客和货物的运输

4.8 角动量的传递

4.9 太空电梯的安全性

4.10 在火星和月球上的太空电梯

总结

 

第五部分 进入地球轨道

 

5.1 准轨道 vs. 轨道

5.2 进入准轨道运动所需的 △v

5.3 进入轨道的过程

5.4 进入轨道运动所需的 △v

5.5 地球轨道的种类

总结

 

第六部分 改变轨道

 

6.1 受限的二体问题

6.2 霍曼转移

6.3 双椭圆霍曼转移

6.4 轨道面转移

总结

 

第七部分 前往其他天体

 

7.1 行星的影响区

7.2 拉格朗日点

7.3 进入月球轨道

7.4 前往其他行星

7.5 接近地球天体

7.6 人工重力

7.7 化学推进以外的推进方式

总结

 

附录_ 大航海时代，太空探索

参考文献

 

by Lia