阐述一次航天史上的事故.doc

一、阐述一次航天史上的事故，并说明事故的原因1、事故简介哥伦比亚号航天飞机返航失事：2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机在返回地面过程中解体，机上7名航天员全部遇难，成为16年前挑战者号航天飞机失事以来最大的一次航天事故。2、事故原因新报告公布之后，泡沫材料撞击在“哥伦比亚”号失事中所起的作用，再次引起人们关注。“哥伦比亚”号2月1日解体坠毁后不久，泡沫碎块问题就浮出水面。虽然美宇航局一直坚持认为，泡沫碎块撞击不会有严重后果，但负责对“哥伦比亚”号事故进行调查的独立委员会，目前仍在对泡沫碎块的影响进行深入分析。 这一独立调查委员会目前得出的最主要结论是“哥伦比亚”号机壳上可能出现孔洞，导致超高温气体进入航天飞机，最终酿成事故。而根据美宇航局21日公布的文件，宇航局一位工程师1月29日就曾在电子邮件中警告说，航天飞机外部隔热瓦受损，有可能导致轮舱或起落架舱门出现裂孔。美国宇航局2004年8月13日进一步确认，美国“哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷，是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称，外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名为“增强碳碳”（即增强碳-碳隔热板）的材料。当航天飞机返回时，经过大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1400度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构，致使机翼和机体融化，导致了悲剧的发生。二、介绍一个具有航天器控制原理中，学习过的典型轨道的实际卫星，并说明该卫星的功用。根据其轨道高度，说明其可能收到的干扰力。1、实际卫星及其功用地球同步卫星，即地球同步轨道卫星，又称对地静止卫星，是运行在地球同步轨道上的人造卫星，地球同步卫星常用于通讯、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面，以实现对同一地区的连续工作。在遥感应用中，除了气象卫星外，一个突出的应用就是通过地球同步轨道上的4颗跟踪和数据中继卫星系统高速率地传送中低轨道地球观测卫星或航天飞机所获取的地球资源与环境遥感数据。世界上第一颗地球同步卫星是1964年8月19日美国发射的“辛康”（syncom）3号。中国于1984年4月8日、1986年2月1日和1988年3月7日分别发射3颗用于通信广播的地球同步卫星。2、所受干扰力 卫星距离地球的高度约为36000 km，卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道、运行周期与地球自转一周的时间相等，即23时56分4秒，卫星在轨道上的绕行速度约为3.1公里/秒，其运行角速度等于地球自转的角速度。所以可能收到的干扰力：地球引力，太阳引力，月亮引力，太阳辐射压力。三、举出一刻实际的卫星，说明其姿态控制系统的组成。并说明该姿态控制系统主要用于客服那种干扰力矩，根据其姿态执行机构说明其受到的是常值干扰力矩还是周期性的干扰力矩。1、实际卫星及其姿态控制组成北斗导航卫星：自身姿态确定，主要通过激光陀螺仪，星敏感元件，以及太阳敏感元件等，进行确定；通过自旋平衡系统，进行调节校正。2、所受力矩的类型主要用于克服气动力矩、重力梯度力矩、磁干扰力矩、辐射力矩。由自旋稳定的性质克制受到的是常值力矩。四、说明载人飞船的返回舱为什么常采用钝头的轴对称旋转外形?详细说明返回舱的降落伞着陆系统的工作过程。1、采用钝头结构的原因这种外形结构简单，工程上易于实现。可以减小在下降过程中的加速度，保护宇航员。2、伞降过程过程主要分为：抛掉顶盖减速伞收缩状开伞减速伞完全充满减速伞脱离，展开引导伞主伞开始充气主伞收缩状开伞打开VHF天线及闪光信标主伞完全充满主伞脱离落地。五、查阅文献资料，利用MATLAB编程语言，根据地球和月球的质量，计算得到地球和月球的引力作用范围，设计航天器从地球到月球的初始轨道、转移轨道和终轨道，并计算得到每次轨道转移时所需要的速度增量的大小。利用MATLAB画出初始轨道、转移轨道和终轨道。（作业中包含MATLAB程序）1、引力作用范围的确定引力范围的确定方法为：首先已知地球和月球的质量比，以及两者的球心距。所以，在两者的中心连线上有一点，在这一点上，航天器所受到的地球的引力与月球的引力是相等的，可以通过这个点来确定地球（月球）相对月球（地球）的引力作用范围。如图所示：设地球中心为E，质量为M，月球中心为0，质量为m。显然，在地月之间必有一点P，使质量为m的飞船处于此点时，地球对它的引力与月球对它的引力相等。如设po为x,则pe=d-x,令M/m=k，则有：M/(d-x)= m/xM/ m = (d-x)/ x (d-x)= kx（K1）x +2dxd=080 x +2dxd=0 (10x-d)(8x+d)=0X1=0.1dX2=-0.12dX1X2=0.22d=84000可见同样得到月球的引力作用范围是直径为84000公里的一个球体，其引力作用范围半径为42000公里同理，可知地球的引力作用范围是342000千米2、轨道的确定通过对地球和月球的引力范围的确定，我们可以对地月转移轨道进行设计。绕地轨道的设计首先选择初始的近地轨道，这里我选用的是40000km。然后由于在距离地球426000km的那一点，地球和月球对航天器的引力是相同的,便于被月球所捕获，所以选择终轨道的半径为426000km。这样就可以确定转移轨道的半长轴a=233000，焦距c=193000km。所以，由V/2 u/r = u/2a可知在第一个变轨点出的速度增量为:V1= + 1.11 km/s V2= + 0.56km/s绕月轨道的设计由于在临界点处两球体的引力相同，所以航天器在此轨道上降速可以被月球所捕获。所以绕月的初轨道半径为42000km，同时选择近月轨道的半径为8000km，所以可算得转移轨道的半长轴为a=25000km，c=17000km；所以，由上一问同理求得速度增量为：V3= 0.77 km/sV4= 0.23km/s3、轨道示意图（1:1000）V4V3V2V1月球地球近月轨道绕月转移轨道近地轨道绕地转移轨道地月转移轨道（绕地终轨道）六、查阅资文献料，利用MATLAB编程语言，根据地球、太阳和火星（或太阳系的其他卫星）的质量，计算得到各自的引力作用范围，设计航天器从地球到火星的初始轨道、转移轨道和终轨道，并计算得到每次轨道转移时所需要的速度增量的大小。利用MATLAB画出初始轨道、转移轨道和终轨道。（作业中包含MATLAB程序）1、引力作用范围的确定同样，由第五题的方法可以求得地球相对太阳的作用范围是260000km，火星相对太阳的作用范围是130000km。而太阳的引力作用范围则覆盖整个太阳系。2、转移轨道的设计根据引力范围，可以设计由地球飞往火星的轨道，大致的思路是首先从地球发射后被太阳捕获，再通过转移轨道被火星捕获。（由于相对于太阳与各个行星的距离而言，绕地及绕火轨道都微不足道，所以就根据情况选取一些数据表示一下转移轨道。所以速度增量的计算也会与实际不一样） 绕地轨道初始轨道半径为8000km，转移轨道的半长轴为17000km，焦距为9000km。速度增量为：V1= + 1.67 km/s 绕日轨道地日转移轨道（绕日初轨道）的半径为176000km；绕日终轨道（日火转移轨道）的长半轴为a=209500km，焦距为c=33500km。速度增量为：V2= +27.34 km/s 绕火轨道绕火初轨道的长半轴为a=9000km，焦距为c=4000km；绕火终轨道半径为5000km。速度增量为：V3= 275.69 km/sV4= 0.59 km/s3、轨道示意图（1:1000）V4V3绕月转移轨道V2V1火星地球太阳近月轨道近地轨道日火转移轨道近日轨道日火转移轨道附页：（MATLAB程序）1、第五题：t=0:0.1:6.28;x11=30*cos(t)+193;y11=30*sin(t);x1=40*cos(t)+193;y1=40*sin(t);x2=233*cos(t);y2=sqrt(2332-1932)*sin(t);x3=426*cos(t)+193;y3=426*sin(t);plot(x11,y11)fill(x11,y11,b)hold onplot(x1,y1)hold onplot(x2,y2)hold onplot(x3,y3)hold ongrid onx41=3*cos(t)+577;y41=3*sin(t);x5=25*cos(t)+594;y5=sqrt(252-172)*sin(t);x6=8*cos(t)+577;y6=8*sin(t);plot(x41,y41)fill(x41,y41,b)hold onplot(x5,y5)hold onplot(x6,y6)hold ongrid on2、第六题：t=0:0.1:6.28;x11=6*cos(t)+9;y11=6*sin(t);x1=8*cos(t)+9;y1=8*sin(t);x2=17*cos(t);y2=sqrt(172-92)*sin(t);plot(x11,y11,b)fill(x11,y11,b)hold onplot(x1,y1,r)hold onplot(x2,y2,r)hold ongrid onx31=26*cos(t)+159;y31=26*sin(t);x3=176*cos(t)+159;y3=176*sin(t);x4=209.5*cos(t)+125.5;y4=sqrt(209.52-33.52)*sin(t);plot(x31,y31,r)fill(x31,y31,r)plot(x3,y3)hold onplot(x4,y4)hold ongrid onx51=3*cos(t)-71;y51=3*sin(t);x