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第六讲人类飞天梦
人类飞天梦
一、航空、航天、航宇的区别
二、航天简史
三、人造卫星和宇宙探测器
四、美苏中载人航天
五、太空资源
六、美俄中航天发展计划
一、航空、航天、航宇的区别
航空:
指飞机在地球附近大气层中飞行。
航天:
指人造地球卫星、宇宙飞船等在地球附近空间或太阳系空间飞行。
我国著名科学家钱学森认为:
宇宙航行应划分为两个阶段,
航天:
第一阶段是在太阳系内活动;
航宇:
第二阶段是到银河系乃至河外星系活动。
二、航天简史
1、世界航天简史
(1)从幻想到科学中国古代火箭
科学幻想作品的启迪
•开普勒是最早撰写太空科学幻想小说的作家。
他的作品《梦游》描述了人飞渡月球的情景。
•17世纪法国的德贝尔热拉克最富有想象力。
他在《月球旅行》一书中设想了多种推进方法,包括火箭和利用太阳能的喷射推进器。
•19世纪60年代这类作品再度兴起,法国著名作家凡尔纳的《从地球到月球》和《环游月球》产生的影响更为广泛。
(2)克服地球引力的努力
①航天先驱者:
19世纪后期到20世纪初
世界上第一次液体火箭的飞行试验
1919年美国的戈达德博士在《到达极大高度的方法》论文中提出了火箭飞行的数学原理,指出火箭必须具有7.9km/s速度才能克服地球的引力。
他认为只有液体火箭才能提供航天所需的能量,1926年3月16日他制造的液体火箭首次飞行成功,达到12米高,56米远。
这是世界上第一次液体火箭的飞行试验,而戈达德也就成了液体火箭的实际创始人。
②V-2火箭的历史作用
德国于1942年10月3日首次成功发射V-2导弹,飞行180公里。
它是历史上的第一枚弹道导弹。
V-2在工程上实现了20世纪初航天先驱者的技术设想,对现代大型火箭的发展起了继往开来的作用。
V-2火箭的设计是人类拥有的第一件向地球引力挑战的工具,成为航天发展史上的一个重要的里程碑。
(3)航天新纪元
•第一颗人造卫星的发射
为了赶在美国之前发射卫星,前苏联决定将原计划确定研制的卫星暂时推迟,改为先发射两颗简易卫星。
1957年8月21日,P-7洲际导弹首次全程试射成功,同年10月4日,前苏联用“卫星”号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空。
•卫星的发展和应用
•1957年12月,“先锋”号火箭发射卫星失败。
•1958年1月31日,美国用“轨道器”计划的“丘辟特”C火箭(当时已改名为“丘诺”1号运载火箭)发射成功自己的第一颗卫星“探险者”1号。
•法国在1965年11月26日、日本在1970年2月11日、中国在1970年4月24日、英国在1971年10月28日、欧洲空间局在1979年12月24日、印度在1980年7月18日相继用自行研制的运载火箭成功地发射了自己的第一颗人造地球卫星。
(4)深空探测
①月球探测
•1963~1976年是前苏联实施月球考察计划的第二个阶段。
在此期间苏联共发射21个“月球”号探测器。
•美国把对月球探测与“阿波罗”载人登月计划结合起来,执行了“徘徊者”号探测器、“勘测者”号探测器和“月球轨道环行器”计划。
②金星探测
③土星探测
④火星探测
(5)人进入太空
①第一个航天员:
于1961年4月12日用“东方”号运载火箭成功地发射了世界上第一艘载人飞船“东方”1号,使加加林成为世界上第一个进入太空的人,从而开辟了人类航天的道路。
②登月
1961年5月25日,美国总统肯尼迪向国会提出在60年代末将人送上月球的“阿波罗”工程。
③飞船空间对接
1975年7月15日,前苏联发射“联盟”19号飞船。
在“联盟”号飞船起飞后7小时30分,美国发射“阿波罗”18号飞船进入与“联盟”号飞船相同的轨道。
两艘飞船的发射和入轨都很成功。
在“阿波罗”号飞船飞行到29圈,“联盟”号飞船飞行到36圈时,两船开始对接并联合飞行2天。
(6)在空间建立基地
①“天空实验室”
美国国家航空航天局利用“阿波罗”工程节余的“土星”5号运载火箭的末级,将它改造成为试验型航天站,即“天空实验室”。
“天空实验室”于1973年5月14日发射进入435公里高的轨道。
拍摄了约1000万平方公里地球表面的4万多张照片。
于1979年7月11日提前坠入大气层烧毁。
②前苏联“礼炮”号航天站
前苏联从1971年4月19日到1984年11月共发射7个“礼炮”号航天站,以实际应用为目标,进一步完善航天设备,并从事许多与科学研究、国民经济、军事有关的探测、侦察、试验活动。
1982年4月19日前苏联发射“礼炮”7号航天站,以“礼炮”7号航天站为中心的载人航天活动正在进行中。
3名航天员在“礼炮”7号航天站上创造了持续飞行236天22小时50分的新纪录,完成了多项需要长期工作的科学研究课题,包括植物在太空环境下从播种、发芽、生长、开花到结果的全过程的研究。
③美国“空间实验室”
20世纪70年代初,美国曾计划在航天飞机上装备一个能进行精密加工、制造高强度材料、提炼高纯度单晶体和某些生物制品的航天器。
后因经费不足,遂与欧洲空间局达成协议,由西欧国家按照美国航天飞机货舱的尺寸和承载能力研制“空间实验室”。
1983年11月28日“空间实验室”1号由“哥伦比亚”号航天飞机运送入轨。
联邦德国专家也参加了实验室的工作。
“空间实验室”的研制成功为美国国家航空航天局提供了一个重要的航天器,也使西欧开始直接参加载人航天活动。
(7)航天飞机出现
•1981~1982年10月,航天飞机进行研制性飞行试验。
•1982年11月11日,美国航天飞机首次进行商业性飞行,从近地轨道将两颗通信卫星送入地球静止轨道。
2、中国航天
•中国于1970年4月24日发射第一颗人造地球卫星。
(1)发展进程
1970年中国研制成功第一枚运载火箭和发射自己的第一颗人造卫星后,开始发射小型科学卫星。
•1975年研制成功两种大推力运载火箭,并开始发射返回型遥感卫星(又称科学探测和技术试验卫星)。
•1981年9月20日成功地用一枚火箭发射三颗空间物理探测卫星。
•1984年4月,中国第一颗地球静止轨道的试验通信卫星发射成功。
•1984年和1988年,我国分别成功地发射了首枚地球同步卫星和首枚太阳同步卫星。
•1990年4月7日,成功地把“亚洲1号”通信卫星送入预定轨道,入轨精度达到国际先进水平,
•1997年5月20日,“东方红三号”同步通信卫星送入预定轨道,并定点在东经105度赤道上空,标志着我国已在卫星的返回、测控、一箭多发、同步卫星的发射等领域中跻身于世界的前列。
•1999年11月20日6时30分在酒泉发射中心,用新型长征运载火箭将我国第一艘试验飞船“神舟”号发射成。
2003年10月15日9时“神舟五号”飞船成功发射
10月16日“神舟”五号载人飞船返回舱着陆
(2)火箭和卫星
中国先后发射三种探空火箭
①单级液体火箭,有效载荷10公斤,飞行高度70公里;
②两级探空火箭,第一级是固体火箭,第二级是液体火箭,直径460毫米,有效载荷重60~150公斤,飞行高度60~200公里;
•中国充分利用弹道导弹的研究成果和技术基础,成功地研制与使用了4种运载火箭:
•①“长征”1号三级火箭,第一、二级采用液体火箭发动机,第三级采用固体火箭发动机,可将约300公斤的人造卫星送入近地轨道;
•②“风云”1号两级液体火箭,可将约1200公斤的人造卫星送入近地轨道;
•③“长征”2号两级液体火箭,可将约2000公斤的人造卫星送入近地轨道;
•④“长征”3号三级液体火箭,用于发射地球静止轨道卫星或近地轨道的大型航天器。
中国成功发射的人造卫星主要有四种类型:
1、科学和技术试验卫星;
2、返回型遥感卫星
3、通信卫星;
4、资源卫星
从1970年4月24日-2003年末,我国成功地发射了57颗国产卫星和5艘国产飞船。
•科学技术试验卫星10颗,
•返回式卫星18颗,
•通信广播卫星11颗,
•气象卫星6颗,
•测量大气密度的气球卫星2颗,
•中国和巴西共同研制地球资源卫星2颗,
•中国资源卫星2颗,
•北斗导航卫星3颗,
•海洋卫星1颗,
•微小卫星1颗,
•地球空间双星探测计划中的探测一号卫星1颗。
探测一号
3、地外生命探索
地球上的人类是宇宙的“独生子女”吗?
地球以外的茫茫宇宙中有生命和文明吗?
自古以来不少哲学家提出“天外有天,人外有人”的朴素看法。
外星文明方程式
在银河系中,存在着多少个具有文明的星球呢?
1960年,加利福尼亚大学的天文学家弗兰克·德雷克提出寻找外星文明可能的方法,是这样的一个公式:
N=R*×Fp×Ne×Fl×Fi×Fc×L
这个公式看起来有点庞杂,它以一连串可能性的乘积来计算我们银河系中可能存在多少个文明社会(N)。
德雷克根据这一公式预言有4000个有交流能力的文明社会。
阿西莫夫在《外得文明》一书中算出了53万个。
前苏联的修克罗斯基对这个外星文明方程式提出疑义,如,他认为其他星球拥有核武器,会因核战争而灭亡,因此发达文明的寿命非常短,银河系除地球外可能没有其他文明。
另一种意见是认为方程式预测值太多,不可靠。
如美国天文学家麦凯尔·哈特,他认为假如银河系以内还有发达文明存在,那么它早就把银河系等殖民化了,不可能我们至今仍未发现它。
这表明,银河系内除地球外没有其他文明,而银河系外可能有。
•1960年美国西弗吉尼亚州格林班克镇的国立射电天文台执行了一项代号为“奥兹玛”的计划,目的是探索“外星人”的来历。
•第二期“奥兹玛”计划,他们在1972–1975年间用两架口径更大的射电望远镜和更加精密的仪器,仍采用21厘米波长对位于以太阳为球心,半径为80光年内的660颗与太阳类似的“中年”恒星进行无线电监听,结果仍未发现任何有价值的信息。
•“独眼巨人”计划,准备建造1026架口径为100米的射电望远镜天线,它们完全用电子计算机控制,这样就可以搜索250光年内任何天体发射的无线电波。
三、人造卫星和宇宙探测器
1、人造卫星
2、太空望远镜
3、宇宙探测器
四、美苏中载人航天
1、人类为什么要发展载人航天?
①一个国家综合国力日益强大的重要标志
②制造加工独领风骚
从美国和前苏联的实验研究结果来看,目前空间材料加工中比较成熟和有发展潜力的项目主要是半导体材料加工、金属材料加工、玻璃(包括陶瓷)和光学元件加工、化学物质加工和生物材料加工等。
在空间环境中除了可加工一般的材料外,还可进行生物材料的加工。
③载人飞船:
展示高精尖最新科技成果的“摇篮”
各国发展载人航天不仅有其政治、军事和经济的战略目的,而且还有其科学技术的垄断目的。
从太空观察地球,可以更深入地了解地球的构造,探明地球的资源,预测地震、洪水、飓风、火山爆发、海啸和其他自然灾害,可以保护人们的生命和财产。
很多都是载人航天技术转为民用的产物。
比如:
机器人协助医生做手术、新型起搏器,水果的保鲜问题、一种高效而又经济的水处理系统……
2、美苏中首次载人航天计划和载人航天历程
①美苏载人航天的初期准备
苏联在发射第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”后的一个月,即1957年11月3日,发射了“斯普特尼克2号”人造卫星,这枚人造卫星中乘坐着进入太空的第一个“航天员”——小狗“莱伊卡”(Laika)。
美国继1958年1月31日把第一颗人造卫星送入轨道后,于1958年12月12日发射了头锥舱中乘有长尾猴的丘辟特洲际弹道导弹,但发射后导弹溅落在海中丢失。
1959年5月28日,两只猴子在卡纳维拉尔角发射的丘辟特导弹的头锥舱里飞行后回收,一只猴子在拆除生物电极的一次手术后死去,另一只存活下来饲养在亚拉巴马空间火箭中心。
1961年1月31日,62公斤重的哈姆黑猩猩乘“水星”号飞船座舱由“红石”火箭助推进行了高度为249公里,飞行距离为676公里的亚轨道飞行后成功返回地面。
1961年11月29日(此时,宇航员阿兰·B·谢帕德已经于当年的5月5日乘“水星”号飞船进行了一次亚轨道飞行;维吉尔·I·格里索姆于7月21日进行了第二次亚轨道飞行)黑猩猩“恩诺思”被置于宇宙飞船“水星”号上完成了一次重要飞行,绕地两圈的飞行过程中“恩诺思”吃了食品,并完成了几项已经训练好的心理学试验。
由于飞船产生了不正常的滚动,被命令下降返回。
在飞行结束时由于系统出现故障,回收舱内温度曾高达40ºC,但还是成功地返回了地面,“恩诺思”幸免于死。
之后生物学专家们对动物进行了认真细致的观察和生物遗传学研究。
在这一系列飞行试验的基础上,航天医学专家基本取得了希望的结果,认为太空飞行对人体不会有太大的威胁。
于是开始考虑将人送上太空。
②苏联的第一阶段载人航天计划
1958年,在航天专家科罗廖夫的带领下苏联正式开始了载人航天的研究工作。
科罗廖夫考虑到亚轨道飞行要做的工作量几乎与轨道飞行相同,而且在对太空飞行作了相当程度的分析后,认为人类直接进入太空的威胁并没有想像的那么大。
所以最终决定采用直接进行载人轨道飞行。
当然,当时的国际形势以及政治的压力也是科罗廖夫考虑的一个重要因素。
到1959年初,苏联第一艘载人飞船开始具体设计,并取名为东方(Vostok)号。
东方号的乘员舱采用球形,这主要是考虑到返回时减少飞行器热量,并且能在各种速度下保持稳定。
东方号采取陆地回收的方式。
起初考虑航天员的安全,科罗廖夫提出海上回收的方案,但当时的苏共总书记赫鲁晓夫出于保密性的考虑,坚持要求在陆地回收,而当时陆地回收的技术还不成熟,很可能会威胁航天员的安全。
最终采用了一个折中的办法:
不回收返回舱而只回收航天员,即在返回舱再入离地面10000米左右,将航天员连同座椅一道弹射出去,并用降落伞回收。
在确认“东方号”飞船能够载人之前,曾对它做过五次飞行试验。
在1960年5月15日到1961年3月25日之间,这五艘不载人飞船都是借用“科拉伯卫星”的名字作轨道飞行的。
它们载了狗、假人和各种各样的生物实验仪器。
它们当中有四艘带着宇航员座椅回收舱,三艘被回收。
前三艘飞船与“东方2号”飞船一样,绕地球飞行了17圈。
最后两艘,像“东方1号”飞船一样,在回收前仅绕地球飞行了一圈。
1960年12月1日,苏联把放在斯普特尼克6号(东方号飞船原型)里的两条小狗(姆什卡和皮契卡)送上天。
绕地球飞行24小时后,地面控制站令其点燃制动火箭返回地面。
但卫星出了偏差,它的返回轨道过于陡直,因而回收舱在进入大气层中烧毁。
1961年3月9日,“东方号”飞船载着小狗兹韦斯达契卡和一个假人成功地绕地球飞行了一圈后返回地面。
1961年3月25日,“东方”号宇宙飞船进行了载人空间飞行之前的最后一次试飞,绕地球飞行了一圈后成功回收。
这次试飞载有一个假人和一条契尔努什卡小狗。
经过了一系列的试验飞行后,东方号飞船做好了载人轨道飞行的最后准备。
1961年4月3日,苏联政府批准了载人轨道飞行。
同月12日一枚R-7A运载火箭装载着“东方-1”号,将人类进入太空的第一名使者——尤里·加加林送入太空。
迈出了人类进入太空的第一步。
继加加林之后,东方号又进行了5次载人轨道飞行,为苏联争取了太空竞赛中一个又一个第一。
这里面包括比耶科夫斯基驾驶东方-5号飞船创造了留空119小时的纪录,以及世界第一个女航天员尼古拉耶娃·捷列什科娃乘坐东方-6号升空。
苏/俄载人航天计划历程简介
1957年10月4日“东方号”1(单人宇宙飞船)
1961年8月6日“东方号”2(单人宇宙飞船)
1962年8月11日“东方号”3(单人宇宙飞船)
1963年8月12日“东方号”4(单人宇宙飞船)
1963年6月14日“东方号”5(单人宇宙飞船)
1963年6月16日)“东方号”6(单人宇宙飞船)
1964年10月12日“上升号”1(三人宇宙飞船)
1965年3月18日“上升号”2(带过渡舱的用于阿列克塞A.列昂诺夫空间行走计划的双人型号)
1967年4月23日“联盟号”(三人宇宙飞船)首飞,因太阳帆板的展开故障和降落伞打开故障回收时坠毁,宇航员弗拉基米尔M.科马罗夫上校牺牲,1968年10月26日第三次试飞时成功进行了载人飞行)
“礼炮”1-7号空间站(分别发射于1971年4月19日-工作175天;1973年4月3日—据北美防空司令部的跟踪站监视,4月25日该站业已破碎;1974年6月25日—1975年1月24日,1974年12月26日,1976年6月22日,1977年9月29日,1982年4月19日),
“和平”号空间站(1986年6月20日第一批组件升空,2001年3月23日受控坠入南太平洋),
“暴风雪”号航天飞机(1988年11月15日于拜科努尔发射场由新型“能源”号运载火箭首次发射成功,首航为无人驾驶飞行,首航成功后由于政治、经济等方面的原因,该计划现已基本停止)
国际空间站(在建)计划。
③美国的第一阶段载人航天计划
美国第一首载人飞船的各方建议草案
为了尽快结束航天事业发展中的混乱局面,更快地发展航天技术,美国在1958年制定了太空法案,以法律的形式确定了太空研究的计划、方向和目标,并且成立了新的机构——国家航空航天局(NASA),将有关航空航天发展计划都纳入到该组织中。
1958年8月8日,NASA正式接手载人航天计划,并于不久后的10月7日公布了水星(Mecury)号载人飞船计划。
该计划旨在送一个人进入轨道,研究他在太空中的能力和反映,并安全返回地面。
水星计划所要达到的目标与东方号计划基本相同。
工程师们设计了一个圆锥形的飞船,总长约2.9米,底部直径约1.8米。
飞船的顶端还有一枚逃逸火箭。
底端的制动火箭为回收时提供脱离轨道的推力。
进入大气层时,飞船底端的烧蚀材料用于防热。
当太空舱落入较低的大气层时,太空舱顶端的降落伞打开,使航天员和太空舱安全地降落在海洋中。
为了争取美苏这场太空竞赛的第一,美国的工程师们作了很大的努力。
可水星号早期的实验并不顺利,发生了多次事故。
1961年春季这种情况似乎有了好转,1月和3月的两次实验都取得了良好的成果。
为了在太空竞赛中抢先一步,太空任务小组提议提前进行载人航天飞行,但火箭专家冯·布劳恩却坚持要按原计划进行。
4月12日,加加林实现太空飞行后,时间显得更加紧迫。
令美国人可以稍许宽慰的是,5月5日,航天员阿兰·B·谢帕德乘坐水星飞船“自由7号”实现了一次亚轨道飞行,这次飞行被赫鲁晓夫称为“跳蚤的一跃”。
之后NASA又进行了几次亚轨道和轨道飞行试验,对轨道飞行进行了充分的验证。
1962年2月20日,航天员约翰·H·格林乘坐宇宙神(Atlas)-D运载火箭助推的“友谊7号”飞船从卡纳维拉尔角发射起飞,并绕地球飞行了三圈,终于实现了美国人的航天梦。
此后,水星号又进行了3次太空飞行。
水星计划虽然晚于苏联10个月才实现轨道飞行,但其技术上取得的成就却比东方计划更大,美国在整个水星计划中,将多种导弹改进作为运载火箭,从中获得了丰富的经验,这为后来的大型航天计划创造了必要条件。
水星计划在技术上虽然比较复杂,可整个开发过程比较科学,具有推广的潜力,并且发展了几项新技术,在大型航天计划的管理上也积累了相当的经验。
美载人航天计划历程简介
“水星”号3,4,6,7,8,9(单人宇宙飞船,分别发射于1961年5月5日,1961年7月21日,1962年2月20日,1962年5月24日,1962年10月3日和1963年5月15日)),
“双子星座”号3,4,5,7,6,8,9,10,11,12(双人宇宙飞船,首次载人飞行前进行过2次无人驾驶飞行,载人飞行分别发射于1965年3月23日,1965年月3日,1965年8月21日,1965年12月14日,1965年12月12日,1966年3月16日,1966年6月3日,1966年7月18日,1966年9月22日,1966年11月11日).
“阿波罗”号飞船(三人宇宙飞船):
1号飞船在1967年1月27日的地面演练时发生火灾,3名宇航员包括美国第一个完成舱外活动(“双子星座”号)的爱德华H.怀特中校,参加过“水星”飞船和“双子星座”号飞船飞行计划拥有丰富飞行经验的弗吉尔I.格里索姆上校及第一次准备参加太空飞行的罗杰B.查菲少校遇难;
7号发射于1968年10月11日用于在近地轨道检验飞船各系统的工作情况;
8号发射于1968年12月21日并成功进行了绕月飞行;
9号发射于1969年3月3日用于在近地轨道检验“阿波罗”飞船的服务舱与登月舱的交汇与对接功能;
10号发射于1969年5月18日成功进行了绕月飞行,登月舱进行了下降登月演练)
“阿波罗”11-17号登月计划
“阿波罗”11号:
1969年7月16日;
“阿波罗”12号:
1969年11月14日;
“阿波罗”13号:
1970年4月11日,因服务舱中的燃料电池氧气贮箱奔月途中发生爆炸,登月任务取消,宇航员成员组安全返回地面;
“阿波罗”14号:
1971年1月31日;
“阿波罗”15号:
1971年7月26日;
“阿波罗”16号:
1972年4月16日;
“阿波罗”17号:
1972年12月7日)
“天空实验室”空间站(发射于1973年5月14日,分别于1973年5月25日,1973年7月28日,1973年11月16日接受了3组宇航员的来访,1979年7月11日由于日益频繁的太阳黑子活动引起的地球大气层的膨胀对空间站阻力急剧增加,该空间站在比预期寿命短的多的情况下受控坠入印度洋)
“哥伦比亚”号(于1981年4月12日首飞,2003年2月1日返回地面时解体)
“挑战者”号(于1983年4月04日首飞,1986年1月28日起飞时由于固体助推器的橡胶密封圈低温下失效而爆炸)
“发现”号(1984年8月30日首飞)
“亚特兰第斯”号(1985年10月3日首飞)
“奋进”号(1992年5月7日首飞)航天飞机
国际空间站(在建)计划。
④我国载人航天计划回顾
外界对我国发展载人航天计划的猜测开始于1975年。
当年11月29日,中国成功地回收了一颗返回式卫星,这是发展载人航天技术的第一步。
中国和苏联卫星回收试验都是首次获得成功,而美国直到“发现者13号”才掌握卫星回收技术。
1979年,上海《文汇报》刊登了一幅中国宇航员戴著头盔,身著宇航服的照片。
不久,另一份上海出版的杂志《科学画报》发表了更为详尽的中国训练太空人的照片,向外界展示了模拟训练舱,号称亚洲第一的离心加速器,太空服,甚至太空食品。
人们纷纷猜测中国载人航天计划已经起步,甚至怀疑宇航飞船原型机已经制造出来,不久即将发射。
然而各种传言喧嚣一阵之后就渐渐平息了。
由于当时的政治经济条件还不成熟,我国载人航天计划没有被提到日程上。
随著改革开放,经济发展,许多与国民经济密切相关的航天计划被优先考虑。
在80年代,中国著力发展商业卫星发射服务,载人航天计划被一再推迟,但是从来没有停止过。
60年代成立的中国空间医学研究院一直在进行这方面的研究。
1986年中国官方《人民日报》报导,中国的载人航天技术“已经取得了巨大的进展,”把第一位中国宇航员送入太空的日子“已经不再遥远了。
”到80年代后期,10年的改革开放和经济发展已经使中国积累了充足的资金和技术实力。
中国航天界宣布了一个雄心勃勃的载人航天计划,其中包括发射小型航天飞机和建立空间站。
然而,这些计划由于在技术上过于复杂,至今仍在筹划阶段,短期内不太可能实现。
中国的载人航天计划将著眼于采用传统的“返回式太空舱”的设计构想。
1989年我国和俄罗斯恢复正常关系
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