人类的第一颗卫星(修改版).ppt

卫星技术 浙江大学航空航天学院微小卫星研究中心 1 金仲和 jinzh 87952588教 杜超禹 王婵交作业邮箱 sat technology 公邮 sat public 密码 public 教学内容和目的 通过对国内外典型卫星工程的分析 讲解卫星及其应用系统的工作原理 关键技术 阐述卫星技术发展过程中的社会 历史 经济 学科和技术背景 研讨典型卫星系统对学科发展 人们日常生活和人类社会发展产生的重要影响 帮助学生掌握卫星技术的基本概念 系统组成 工作原理 关键技术等 理解科技发展与社会 政治 经济等的复杂关系 扩大知识面 拓宽视野 激发创新思维 培养系统工程理念和综合应用多学科知识的能力 引导学生对专业课程的学习热情和对未来科技的求知欲 为将学生培养成综合性创新型人才奠定基础 2 成绩组成 讨论课发言占30 课程作业占30 练习题文献阅读小结与小论文期末开卷考试 40 客观题 课程基础知识 40分 主观题 开放性问题 30分 创新设计题 系统方案构想 30分 单辉祖 工程力学 3 4 参考教材及相关资料 航天技术概论 褚桂柏主编 中国宇航出版社 2002年11月 卫星工程概论 林华宝主编 中国宇航出版社 2004年6月课程教学网站 提供必要的课件和文字材料链接 交作业邮箱 sat technology 公邮 sat public 密码 public 单辉祖 工程力学 5 6 人类的第一颗卫星Sputnik1 7 主要内容 1人类第一颗人造卫星Sputnik 1 2世界各国卫星的早期发展历程 3卫星的基本概念和基本组成 4卫星轨道 5卫星机械结构和温度控制技术 6运载火箭技术 Sputnik 1基本情况政治背景历史背景对世界航天格局的影响苏联卫星早期发展历程 8 1人类第一颗人造卫星Sputnik 1 Sputnik I 9 SPUTNIK 403公斤 1997纪念40周年 Sputnik I 10 Sputnik 1基本参数 卫星名称 Sputnik 1发射时间 1957年10月4日质量 83 6公斤轨道 228 5 946 1公里 椭圆轨道轨道周期 96 2分钟轨道倾角 65o运载火箭 R7运载火箭载荷 两台简易发报机 政治背景 冷战早期美苏导弹竞争 1954年5月27日 苏联火箭设计师谢尔盖 科罗廖夫提出人造卫星发展计划 以实现无地域限制全球快速通讯 并使火箭技术得到进一步发展 获得苏联最高苏维埃重视 1955年7月29日 美国总统艾森豪通过白宫新闻秘书发布美国将于1957年发射第一枚人造卫星 一周后 苏联政治局同意科罗廖夫关于人造卫星计划的建议 决定以三节捆绑式R 7火箭发射斯普特尼克一号 为赶在美国前发射 提出第一颗卫星应于1957年7月前发射 因此设计被大幅简化 简单 轻型 仅80余公斤 易于操作并只携带一台简陋的无线电发报机 57年2月15日 苏联部长会议准许该化方案 明确以观测卫星轨迹及接收卫星讯号为目标 11 12 历史背景 火箭技术的发展 卫星发射的关键取决于火箭技术 二战期间纳粹德国在火箭技术方面居于领先地位 尤以沃纳 冯 布劳恩博士与其设计的V2火箭成为二战后期美苏暗中争夺的焦点 后来由于冯 布劳恩在苏军攻占佩内明德前及时撤走 苏联抢夺冯 布劳恩的计划失败 最终美军通过争夺纳粹德国技术专家的 回纹针行动 将以冯 布劳恩团队为主的大批德国火箭技术专家转移至美国 同时将大批火箭零部件在占领后一个月内 抢在苏军之前转运回美 美苏之前的协议中规定 V2火箭生产地位于划定的苏占区内 冯 布劳恩在后来为美国航天事业立下了汗马功劳 13 历史背景 火箭技术的发展 苏军只得将剩余零件和工厂内残余秘密转移回苏联境内 同时从当地发掘出一些未随美方离开的德国专家 在人才争夺战中 苏联和英国占得了部分便宜 但是最后美国被证实是最大的赢家 大部分的高阶研究人员最后到了美国 苏联则启用在大清洗中被迫害的谢尔盖 科罗廖夫 主持火箭研究项目 14 对世界航天格局的影响 1 Sputnik危机 1957年10月4日 是冷战的转折点 当时美国一直认为自己在导弹和航天领域上处于领导地位 美国曾经在Sputnik 1发射前尝试过两次试射人造卫星 但均告失败 Sputnik 1的成功令美国芒刺在背 此后太空竞赛展开 美国公布阿波罗计划并于1969年登陆月球 斯普特尼克危机在美国引发一连串事件 在两天内计算斯普特尼克1号的轨道1958年2月 美国政府认为他们需要一个具备研究和设计能力的高级防卫部门 遂成立高等研究计划局 即后来的国防部高等研究计划局 或称DARPA 1958年7月29日 美国总统艾森豪正式批准成立国家航空航天局 NASA 和推动水星计划 带领美国进入太空竞赛 15 进行培育新一代工程师的教育计划 意外使科学界获得大量研究资金 1959年 美国国会拨付一亿三千四百万美元给国家科学基金会 比前一年多了近一亿美元 到了1968年 国家科学基金会的预算已近五亿美元 北极星弹道导弹计划为了北极星计划而开始专案管理的研究与发展 创造出现代专案管理的概念和标准的专案模型 即专案评估与审核技术 PERT 美国总统肯尼迪在1960年的总统选举提出 要缩小导弹差距 missilegap 即部署1000枚民兵弹道导弹 数量远远超过当时苏联拥有的弹道导弹 对世界航天格局的影响 2 16 苏联卫星早期发展历程 1957年11月3日 苏联又成功发射了苏联卫星2号 并携带一只狗 莱卡 并在轨道上存活了1周 是第一次被送到太空的生物 1958年2月3日苏联卫星3号第一次发射失败 5月15日第二次发射成功 携带大量的仪器上太空 1960年5月15日 发射苏联卫星4号成功 1960年8月19日 发射苏联卫星5号成功 携带两只狗 40只小鼠 两只大鼠和一些植物 这次的发射于第二天成功地返回地球 1960年12月1日 发射苏联卫星6号成功 携带了两只狗 但回收时不幸死亡 17 2世界其他各国卫星的早期发展历程 美国 法国 日本 中国英国 印度 以色列 朝鲜 18 美国卫星早期发展历程 1957年12月6日 很多美国人翘首期盼着美国第一颗实验性人造卫星能够顺利上天 这个期盼几乎在运载火箭离地的那一刹那就结束了 运载火箭 先锋号 在发射后离开地面仅几英尺后就出现故障 落回地面爆炸烧毁 这个实验卫星的实际重量只有1 5公斤 原定发射时间是11月4日 由于条件不成熟 不得不一再拖延 一直延迟到了12月6日 19 美国卫星早期发展历程 美国国防部宣布 当火箭发射出去两秒钟以后 第一级火箭丧失了推力 火箭翻起跟斗 头朝东落回发射台 发生了爆炸 发射台的人员因为躲在拥有厚厚墙壁的保护室里 才躲过了这场劫难 不过 发射台遭到了严重破坏 所幸没有造成伤亡 因为此次事故 美国的人造卫星计划不得不向后拖延 直到1958年1月31日 美国才将一颗只有18磅重的 探险者一号 送上太空 这时 苏联第二颗人造地球卫星已将一只莱卡犬送入轨道 美苏的太空争霸时代由此开始 20 美国第一颗卫星 卫星名称 探险者 1号发射时间 1958年1月31日质量 8 22公斤轨道 近地点360 4公里 远地点2531公里的椭圆轨道轨道周期 114 8分钟轨道倾角 33 4o运载火箭 丘辟特 C 四级运载火箭用途 测量宇宙线 微流星及卫星温度 21 法国卫星早期发展历程 法国从50年代开始自行研制探空火箭和导弹 并在此基础上研制 钻石 号运载火箭 1965年11月至1967年2月 法国 钻石 号火箭将A 1 D 1人造卫星送入太空 法国积极推动西欧国家联合发展欧洲航天事业 它是欧洲空间局的主要成员国 并承担 阿里安 号运载火箭的大部份研制工作 22 法国第一颗卫星 卫星名称 试验卫星 1号发射时间 1965年11月26日质量 42公斤轨道 526 24 1808 85公里的椭圆轨道轨道周期 108 61分钟轨道倾角 34 24o运载火箭 钻石 A 三级运载火箭用途 试验火箭性能 23 日本第一颗卫星 卫星名称 大隅 号发射时间 1970年2月11日质量 9 4公斤轨道 近地点339公里 远地点5138公里的椭圆轨道轨道周期 144 2分钟轨道倾角 31 07o运载火箭 兰达 45四级固体火箭用途 试验火箭级间分离和第4级入轨性能 24 中国第一颗卫星 卫星名称 东方红 1号发射时间 1970年4月24日质量 173公斤轨道 439 2384公里 椭圆轨道轨道周期 114分钟轨道倾角 68 5o运载火箭 长征1号三级运载火箭用途 探测空间环境 轨道测控 播送 东方红 乐曲 25 中国第一颗卫星 研究和发射过程 1957年 钱学森等倡议中国开展人造卫星研究 1958年 毛泽东号召 我们也要搞人造卫星 中国科学院把研制发射人造卫星列为1958年第一项重点任务 揭开了中国向太空进军的序幕 1959年 中科院提出 以探空火箭练兵 空间物理探测打基础 不断探索卫星发展方向 筹建空间环境模拟试验室 研究地面跟踪接收设备 的具体方针 使中国在火箭技术 航天器技术 有效载荷技术 姿态控制技术 轨道设计和发射技术的研究和试验 以及人才的培养和训练等都取得了很大的进展 1970年4月24日 中国第一颗人造地球卫星在酒泉卫星发射中心成功发射 26 中国第一颗卫星 成就影响 东方红一号 卫星的发射成功 开创了中国航天史的新纪元 使中国成为世界上第五个完全依靠自己的力量成功发射人造卫星的国家 虽比它苏联发射第一颗人造卫星 Sputnik1 晚了13年 它的质量超过了前四个国家第一颗卫星质量的总和 从此中国正式加入了 太空俱乐部 时代 发射成功后 钱学森向中央提出中国应该发展载人航天 并提交发展中国载人航天事业的报告 得到毛泽东亲笔批示同意 27 英国第一颗卫星 卫星名称 普罗斯帕罗 号发射时间 1971年10月28日质量 66公斤 145磅 轨道 近地点537公里 远地点1593公里的椭圆轨道轨道周期 105 6分钟轨道倾角 82 1o运载火箭 黑箭 运载火箭用途 试验轻型太阳电池 热控和电子设备 测量宇宙尘 卫星的基本概念卫星的基本组成卫星的分类 28 3卫星的基本概念和基本组成 29 卫星的基本概念 卫星的概念 卫星 是指在宇宙中所有围绕行星运行的天体 环绕哪一颗行星运转 就把它叫做那一颗行星的卫星 人造卫星的概念 人类 人工制造的卫星 用火箭把它发射到预定的轨道 使它环绕着地球或其他行星运转 以便进行探测或科学研究 围绕哪一颗行星运转的人造卫星 我们就叫它那一颗行星的人造卫星 比如最常用于观测 通讯等方面的人造地球卫星 卫星的功能组成 卫星的环境和需求功能组成独立运行能源 计算机真空冷黑背景温度控制 热控 与地面联系遥测遥控 通信对地指向姿态测量和控制轨道保持和机动轨道控制卫星任务任务载荷 30 卫星结构将上述功能部件连接在一起 31 卫星的基本组成 结构系统 卫星结构是金属或复合材料的框架 其他组件装配在上面 热控系统 控制卫星组部件温度使其正常工作 电源系统 电能通常由太阳电池阵产生 并在充电电池中存储为卫星其他部件提供电源 星载计算机系统 星载计算机监测卫星各分系统的状态 控制它们工作和处理数据 卫星基本保障系统 32 卫星的基本组成 通信系统 建立卫星和地面或其他卫星间的链路 系统通常由接收器 转发器和天线组成 姿态控制系统 控制卫星姿态 它包括姿态测量部件 姿控计算机 姿态稳定和机动部件构成 任务载荷 无线电接收器 发射器 遥感系统 武器系统 33 卫星的分类 按运行轨道分 低轨道卫星中轨道卫星高轨道卫星地球同步轨道卫星太阳同步轨道卫星大椭圆轨道卫星极轨道卫星 按用途分 科学卫星技术试验卫星应用卫星 通信广播卫星气象卫星GPS导航卫星遥感成像卫星侦察卫星 34 4卫星轨道简介 基本概念 轨道分类 轨道参数 35 基本概念 卫星轨道 卫星的飞行轨迹叫卫星轨道 第一宇宙速度 即环绕速度 要使卫星在地球引力作用下作圆周运动 就是要使卫星离心力与地心引力平衡 第二宇宙速度 即逃逸速度 如果速度比环绕速度稍大一些 则形成椭圆形轨道 达到逃逸速度 则为抛物线轨道 那时它将绕太阳飞行成为人造行星 第三宇宙速度 如果达到第三宇宙速度 则为双曲线轨道 与太阳一样而绕银河系中心飞行了 36 轨道分类 人造卫星最常用的轨道有三种 1 地球同步轨道 2 太阳同步轨道 3 极轨轨道 37 轨道分类 地球同步轨道 定义 是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道 特例 地球静止轨道 这种轨道的倾角为零 在地球赤道上空35786千米 地面上的人看来 在这条轨道上运行的卫星是静止不动的 应用 一般通信卫星 广播卫星 气象卫星选用地球静止轨道比较有利 38 轨道分类 太阳同步轨道 定义 绕着地球自转轴 方向与地球公转方向相同 旋转角速度等于地球公转的平均角速度 360度 年 的轨道 特点 距地球的高度不超过6000千米 在这类轨道上运行的卫星经过同一纬度的当地时间是相同的 应用 气象卫星 地球资源卫星一般采用这种轨道 39 轨道分类 极地轨道 定义 倾角为90度左右的轨道特点 在这类轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空 可以俯视整个地球表面 应用 气象卫星 地球资源卫星 侦察卫星 军用卫星常采用此轨道 40 轨道参数 轨道根数 轨道参数是用来描述在太空中卫星运行的位置 形状和取向的各种参数 倾角 赤道平面与卫星轨道平面间的夹角 高度 卫星离地球表面的距离 星下点 卫星与地球中心连线在地球表面的交点 升交点 卫星由南往北飞行轨迹在赤道上的交点 周期 卫星绕地球一周需要的时间 截距 卫星绕地球一周 地球转过的度数 偏心率 焦距与轨道半长轴之比 近地点角 轨道升交点和近地点与地心连线间的夹角 41 轨道参数 轨道根数 42 5卫星机械结构和温度控制技术 卫星结构技术 卫星机构技术 卫星热控技术 单辉祖 工程力学 43 44 卫星结构技术 卫星结构的主要功能和要求 卫星结构的主要功能 1 为卫星有效载荷和其他分系统提供所需的安装空间 安装位置和安装方式 把卫星上各分系统连接成一个整体 2 承受和传递卫星上所有载荷 3 为卫星上某些特殊的有效载荷或其他分系统提供所需的刚性支承条件 卫星结构的设计要求 主要考虑电 热 质心 振动等要求 要考虑电连接器的插拔和仪器安装操作通道 以及防止不适当配合等措施 结构应以足够的强度 刚度和精度支持星上有效载荷和其他分系统的正常工作 45 卫星结构技术 卫星结构的常用材料 零部件材料主要为铝合金 它的主要特点 1 密度低 因而具有较高的比强度和比模量 2 工艺性能好 易于锻造 成形和机加工 3 良好的导热性和导电性 4 表面可自然形成氧化保护膜 抗腐蚀性能好 5 在所有轻金属材料中成本最低廉 碳纤维 钛合金 无磁不锈钢等也常被采用 46 卫星结构技术 卫星结构的连接方式 连接方式主要为机械紧固连接 主要优点有 1 具有容易拆卸 2 可获得性好 价格低 3 强度分散性小 4 适于不同材料的连接 5 增加结构阻尼 6 无需特殊工艺装备即能满足设计要求 47 卫星结构技术 卫星结构的设计特点 1 尽量减小质量 结构和机构的质量占据整星质量的较大比例 尽量减小其质量是设计的首要任务 2 利用有限容积 3 突出刚度设计 提高卫星结构的固有频率 减轻与运载火箭的振动耦合 降低卫星结构承受的动载荷和动应力 最终保证卫星结构不被破坏 4 适应空间环境 5 保证高可靠性 卫星在运载火箭点火起飞以及发射入轨后 是无法维护的 因此设计要具有高度的可靠性 48 卫星结构技术 整星地面试验 整星装配完成后 为了模拟火箭主动段的恶劣力学环境 一般需要在地面完成以下试验 振动试验 正弦振动和随机振动 冲击试验 加速度试验 49 卫星结构技术 振动试验 1 利用电动振动台对卫星进行正弦和随机振动试验 50 卫星结构技术 振动试验 2 随机振动响应曲线 51 卫星结构技术 冲击试验 1 利用冲击棰对卫星进行冲击试验 52 卫星结构技术 冲击试验 2 冲击响应曲线 53 卫星结构技术 加速度试验 1 利用大型离心机对卫星进行恒加速度试验 54 卫星结构技术 加速度试验 2 过载试验过程曲线 55 卫星机构技术 机构的概念 是航天器上通过机械运动来完成特定功能的一切装置的总称 机构的主要组件 机构主要组件包括活动关节 驱动组件 传动组件 缓冲组件 锁定组件以及反馈组件等 56 卫星机构技术 驱动组件 是组成机构的基本组件 它提供机构所需的驱动力或驱动力矩 传动组件 一般与驱动组件配合使用 主要用来传递运动 改变运动速度以及放大力或力矩 缓冲组件 主要用来缓冲冲击载荷 吸收冲击能量 锁定组件 常用于展开机构的压紧锁定和展开锁定 反馈组件 用于检验机构工作过程或工作结果是否满足要求 注 并不是每个机构都同时具备上述组件 57 卫星机构技术 驱动组件 驱动组件的形式 驱动组件有多种形式 如电机 火工驱动组件 弹簧驱动组件 记忆合金驱动组件 石蜡驱动组件 普通弹簧驱动组件在轨工作时 一般不需要附加能源就可以实现驱动 而其他组件的工作一般都需要附加能源 58 卫星机构技术 传动组件 1 传动组件的形式为滚珠丝杠传动 定轴齿轮传动 行星传动 谐波传动 滚珠丝杠传动可以把旋转运动变为直线运动 其余三种传动方式只能改变旋转运动的速度和方向 不能改变运动形式 59 卫星机构技术 传动组件 2 滚珠丝杠传动具有传动平稳 传动精度高 摩擦阻力低的优点 定轴齿轮传动组成简单 传动比一般较小 行星传动与定轴传动相比具有体积小 重量轻 传动比大 传动平稳的特点 但组成复杂 制造成本高 谐波传动与行星传动相比 具有组成简单 体积更小 重量更轻等优点 60 卫星机构技术 缓冲组件 缓冲组件也称为缓冲器 防止因冲击过大而导致仪器设备的损坏 缓冲组件由支承 导向 结构及缓冲材料组成 根据缓冲材料或缓冲方法的不同 可将缓冲组件分为金属塑性变形缓冲组件 弹簧缓冲组件 电磁缓冲组件及气液缓冲组件 61 卫星机构技术 锁定组件 锁定组件主要用来实现机构的压紧锁定以及展开锁定 根据锁定的方式不同 一般可分为定位锁定和随动锁定 定位锁定一般可实现双向锁定 且既可用于压紧锁定 也可用于展开锁定 但只能在固定位置实现两个构件的锁定 随动锁定可在任何相对位置锁定相对运动的两个构件 一般只能实现单向锁定 且多用于机构展开过程中的锁定 62 卫星机构技术 反馈组件 为了检验机构的工作参数是否满足要求 包括工作位置 运动速度 展开时的冲击 压紧情况 需要相应的反馈组件 根据反馈的参数不同 可分为位置反馈组件 速度反馈组件 冲击反馈组件以及开关组件等 位置和速度反馈组件一般与传动组件或电机的输出轴相连 用来确定电机或传动组件的转角或转速 冲击反馈组件则用于展开机构 火工装置或着陆缓冲机构工作时的冲击测量 开关组件用于判断机构运动目的是否达到 如释放装置是否工作 以及机构是否展开 舱门是否关紧 对接是否完成 63 皮卫星分离机构 驱动组件 圆锥弹簧和扭簧 缓冲组件 橡胶垫 双面胶 锁定组件 锁紧轴 反馈组件 行程开关 反馈组件 触点开关 64 卫星热控技术 任务 控制卫星设备和结构的温度在要求的范围内 具体包括 1 保证电子仪器和机械设备的有效和可靠工作 要求在一定的温度范围内工作 2 要求温度场的均匀性和稳定性 以保证一些有效载荷的结构稳定性 难点 真空环境 空间背景温度4K 太阳光照强度强1200W M2 并存在阴影区 分类 被动热控和主动热控 65 卫星热控技术 主动热控 概念 在控制过程中 被控制对象的温度可反馈到热控制机构上 一般由温度敏感器 控制器和执行器构成 优点 可适时调节被控对象的传热特性 它对外部变化反应灵活 温度调节精度高不足 在寿命和可靠性方面受到限制 质量与能耗也相应增加 66 卫星热控技术 被动热控 概念 在控制过程中 被控制对象的温度无反馈作用 通常选择具有一定物理性能的结构材料 表面涂层 隔热材料 相变材料等措施 合理安排星体表面和空间环境之间及星体内部仪器部件之间的热传递 使卫星各部分处于期望的温度范围 优点 技术简单 运行可靠 工作寿命长 不消耗能源 67 卫星热控技术 热控材料 热控材料分类 1 热控涂层 2 隔热材料 3 导热填充材料 4 相变材料 68 卫星热控技术 热控涂层 分类 1 金属基材型热控表面 抛光金属表面 喷砂金属表面 2 电化学型热控涂层 阳极氧化涂层 电镀涂层 3 涂料型热控涂层 有机漆 有机白漆 有机黑漆 有机灰漆 有机金属漆 无机漆 4 真空沉积型热控涂层 真空蒸发 沉积金属型热控涂层 二次表面镜型热控涂层 概念 专门用来调整固体表面热辐射性质从而达到热控目的表面材料 红外吸收率 发射率的概念 69 卫星热控技术 热控涂层 2 阳极氧化涂层 电镀涂层 70 卫星热控技术 热控涂层 3 有机白漆 71 卫星热控技术 隔热和导热材料 使用隔热材料的目的 一是尽可能减少星上仪器设备热量损失 二是隔离环境热流及其他热源的热流 隔热材料的分类 多层隔热材料 泡沫隔热材料 无机纤维隔热材料 为了改变接触表面之间的接触热导率 可在接触表面之间填充比较柔软的导热填充材料 导热材料的分类 金属箔 导热酯 导热硅橡胶 使用导热填充材料的目的 72 卫星热控技术 隔热材料 2 多层隔热 73 卫星热控技术 相变材料 1 工作原理 是一种在工作温度下能发生相变 而相变温度基本不变并能以潜能形式放出或吸收能量的材料 由于相变材料的这种特点 可将它们用于内热源或外部热环境发生周期性变化的卫星 以保持仪器设备温度相对稳定 74 卫星热控技术 相变材料 2 相变材料的特性 1 相变潜热大 2 有合适的相变温度 3 固 液转化可逆 而且可长期使用 可靠性高 4 比热大 密度大 5 固 液相均有高的热导率和热扩散率 6 相变时体积变化小 蒸气压低 7 与容器相容性好 8 无过冷现象或过冷现象不明显 9 无毒无害 75 卫星热控技术 相变材料 3 相变材料的分类 1 水及金属类 2 石蜡类 正十二烷 正十四烷 正十六烷 正十八烷 正二十烷 3 非石蜡有机物 乙酰胺 乙酸 反油酸 十四烷酸 4 无机盐水合物 硝酸锂三水化合物 氢氧化钡八水化合物 76 卫星热控技术 热控系统地面试验 1 试验目的 为了验证卫星热设计的正确性 考核热控系统对飞行各阶段热环境的适应能力及确定最佳热控参数 必须进行充分的热平衡试验 试验手段 模拟卫星外热流和内热流模拟空间环境 真空 冷 黑背景 77 卫星热控技术 热控系统地面试验 2 外热流的模拟方法 一种是模拟空间外热流的辐射照度 方向及其光谱特性 称为入射热流模拟法 一般是采用红外辐射笼 太阳模拟器另一种是使用某种加热装置 卫星表面吸收的热流等于该表面吸收的空间外热流 以获得相同的热效应 而不考虑实际的空间外热流的特性 称为吸收热流模拟法 一般采用电阻丝或薄膜电阻加热器 卫星实际外热流来源 太阳辐射 地球反照和辐射 78 卫星热控技术 热控系统地面试验 3 加热片 温度传感器 热电偶 79 卫星热控技术 热控系统地面试验 4 真空冷黑环境模拟方法 采用真空罐内通液氮来实现 其中抽真空由分子泵来实现 冷背景由液氮来实现 黑背景则由在真空罐内壁喷涂黑漆来实现 卫星实际环境 真空 背景温度4K 背景吸收率接近黑体 真空冷黑环境 80 卫星热控技术 热控系统地面试验 5 星体悬挂起来 放在真空罐内 81 卫星热控技术 热控系统地面试验 6 热平衡试验进行中 82 卫星热控技术 热控系统地面试验 7 热平衡试验曲线 运载火箭技术概念运载火箭分类运载火箭结构组成国外典型的运载火箭我国运载火箭的发展我国的卫星发射场 83 6运载火箭技术 84 运载火箭技术概念 运载火箭由多级火箭组成的航天运输工具 用途是把人造地球卫星 载人飞船 空间站 空间探测器等有效载荷送入预定轨道 是在导弹的基础上发展的 一般由2 4级组成 每一级都包括箭体结构 推进系统和飞行控制系统 末级有仪器舱 内装制导与控制系统 遥测系统和发射场安全系统 级与级之间靠级间段连接 有效载荷装在仪器舱的上面 外面套有整流罩 85 运载火箭分类 按推进剂分 液体火箭 长征三号运载火箭固液混合型火箭 长征一号运载火箭固体火箭 美国的 飞马座 运载火箭航天一院研制的固体小火箭 按级数分 单级火箭多级火箭串联型 长征二号D运载火箭并联型 发射苏联第一颗卫星的运载火箭串并联混合型 长征二号E运载火箭 86 运载火箭结构组成 不管是固体运载火箭还是液体运载火箭 不管是单级运载火箭还是多级运载火箭 其主要的组成部分有结构系统 动力装置系统和控制系统 这三大系统称为运载火箭的主系统 主系统工作的可靠与否 将直接影响运载火箭飞行的成败 此外 运载火箭上还有一些不直接影响飞行成败并由箭上设备与地面设备共同组成的系统 例如 遥测系统 外弹道测量系统 安全系统和瞄准系统等 87 运载火箭结构组成 88 运载火箭结构组成 结构系统 箭体 结构系统 箭体 是运载火箭的基体 它用来维持火箭的外形 承受火箭在地面运输 发射操作和在飞行中作用在火箭上的各种载荷 安装连接火箭各系统的所有仪器 设备 把箭上所有系统 组件连接组合成一个整体 89 运载火箭结构组成 动力装置系统 动力装置系统是推动运载火箭飞行并获得一定速度的装置 对液体火箭来说 动力装置系统由推进剂输送 增压系统和液体火箭发动机两大部分组成 固体火箭的动力装置系统较简单 它的主要部分就是固体火箭发动机推进剂直接装在发动机的燃烧室壳体内 90 运载火箭结构组成 控制系统 控制系统是用来控制运载火箭沿预定轨道正常可靠飞行的部分 控制系统由制导和导航系统 姿态控制系统 电源供配电和时序控制系统三大部分组成 制导和导航系统的功用是控制运载火箭按预定的轨道运动 把有效载荷送到预定的空间位置并使之准确进入轨道 姿态控制系统的功用是纠正运载火箭飞行中的俯仰 偏航 滚动误差 使之保持正确的飞行姿态 电源供配电和时序控制系统则按预定飞行时序实施供配电控制 91 运载火箭结构组成 遥测系统 遥测系统的功用是把运载火箭飞行中各系统的工作参数及环境参数测量下来 通过运载火箭上的无线电发射机将这些参数送回地面 由地面接收机接收 亦可将测量所得的参数记录在运载火箭上的磁记录器上 在地面回收磁记录器 这些测量参数既可用来预报航天器入轨时的轨道参数 又可用来鉴定和改进运载火箭的性能 一旦运载火箭在飞行中出现故障 这些参数就是故障分析的依据 92 运载火箭结构组成 外弹道测量系统 外弹道测量系统的功用是利用地面的光学和无线电设备与装在运载火箭上的对应装置一起对飞行中的运载火箭进行跟踪 并测量其飞行参数 用来预报航天器入轨时的轨道参数 也可用来作为鉴定制导系统的精度和故障分析依据 93 运载火箭结构组成 安全系统 安全系统的功用是当运载火箭在飞行中一旦出现故障不能继续飞行时 将其在空中炸毁 避免运载火箭坠落时给地面造成灾难性的危害 安全系统包括运载火箭上的自毁系统和地面的无线电安全系统两部分 箭上的自毁系统由测量装置 计算机和爆炸装置组成 当运载火箭的飞行姿态 飞行速度超出允许的范围 计算机发出引爆爆炸装置的指令 使运载火箭在空中自毁 无线电安全系统则是由地面雷达测量运载火箭的飞行轨道 当运载火箭的飞行超出预先规定的安全范围时 由地面发出引爆箭上爆炸装置的指令 由箭上的接收机接收后将火箭在空中炸毁 94 运载火箭结构组成 瞄准系统 瞄准系统的功用是给运载火箭在发射前进行初始方位定向 瞄准系统由地面瞄准设备和运载火箭上的瞄准设备共同组成 95 国外典型的运载火箭 大力神 Titan 系列运载火箭 1 大力神 Titan 系列运载火箭美国大力神运载火箭系列由大力神 2洲际导弹发展而来 1964年首次发射 该系列由大力神 2 大力神 3 大力神 34 大力神 4和商用大力神 3等型号和子系列组成 它的最大近地轨道运载能力为21 9t 地球同步转移轨道运载能力为5 3t 96 国外典型的运载火箭 大力神 Titan 系列运载火箭 97 国外典型的运载火箭 宇宙神 Atlas 系列 2 宇宙神 Atlas 系列运载火箭美国宇宙神系列运载火箭于1958年12月18日首次发射 曾经发射过世界上第一颗通信卫星 美国第一艘载人飞船等 目前正在使用的主要有宇宙神 2A 宇宙神 2AS和宇宙神 3 研制中的宇宙神 5运载火箭的第一级采用了通用模块化设计 其中的重型火箭使用了3个通用模块 其地球同步转移轨道运载能力达到13t 98 国外典型的运载火箭 宇宙神 Atlas 系列 99 国外典型的运载火箭 德尔塔 Delta 系列 3 德尔塔 Delta 系列运载火箭美国德尔塔系列运载火箭系列于1960年5月13日首次发射 迄今为止已发展了19种型号 目前正在使用的是德尔塔 2和德尔塔 3两种型号 美国空军的全部GPS卫星都是由德尔塔 2发射的 德尔塔 3是在德 尔塔 2的基础上研制的大型运载火箭 可以把3 8t的有效载荷送入地球同步转移轨道 德尔塔 3于2000年8月发射成功 美国还正研制具有多种配置的德尔塔 4子系列 其中重型德尔塔 4的地球同步转移轨道运载能力在13t以上 100 国外典型的运载火箭 德尔塔 Delta 系列 101 国外典型的运载火箭 土星 V Saturn 系列 4 土星 V Saturn 系列运载火箭土星 V运载火箭是美国专为阿波罗登月计划而研制的 迄今为止最大的巨型运载火箭 其起飞重量为3000t 直径10m 高110m 近地轨道运载能力达97t 它能把重达47t的阿波罗飞船送入登月轨道 土星 V曾先后将12名宇航员送上月球 102 国外典型的运载火箭 土星 V Saturn 系列 103 国外典型的运载火箭 东方号 Vostok 系列 5 东方号 Vostok 系列运载火箭俄罗斯东方号系列运载火箭是世界上第一种载人航天运载工具 它创造了多个世界第一 发射了第一颗人造卫星 第一颗月球探测器 第一颗金星探测器 第一颗火星探测器 第一艘载人飞船 第一艘无人 载货飞船进步号等 它也是世界上发射次数最多的运载火箭系列 其中联盟号是东方号的一个子系列 主要发射联盟号载人飞船 进步号载货飞船 104 国外典型的运载火箭 东方号 Vostok 系列 105 6 质子号 Proton 系列运载火箭俄罗斯质子号系列运载火箭分为二级型 三级型和四级型3种型号 目前正在使用的有质子号三级型和四级型两种 三级型质子号于1968年 国外典型的运载火箭 质子号 Proton 系列 11月16日首次发射 其低地轨道运载能力达到22t 它是世界上第一种用于发射空间站的运载火箭 曾发射过礼炮l 7号空间站 和平号空间站各舱段和其他大型低地轨道有效载荷 1998年11月20日 质子号发射了国际空间站的第一个舱段 106 国外典型的运载火箭 质子号 Proton 系列 107 国外典型的运载火箭 天顶号 Zenit 系列 7 天顶号 Zenit 系列运载火箭天顶号系列运载火箭是前苏联 后为乌克兰 研制的运载火箭 分为两级的天顶 2 三级的天顶 3和用于海上发射的天顶 3SL 天顶 2的低地轨道运载能力约为18t 太阳同步轨道运载能力约为11t 可在海上发射的天顶 3SL是美国 乌克兰 俄罗斯 挪威联合研制的运载火箭 其地球同步轨道运载能力为2t 1999年3月首次发射成功 108 国外典型的运载火箭 天顶号 Zenit 系列 109 国外典型的运载火箭 能源号 Energia 系列 8 能源号 Energia 系列运载火箭能源号运载火箭是前苏联研制的目前世界上起飞质量和推力最大的火箭 其近地轨道运载能力为105t 既可发射大型无人载荷 也可用于发射载人航天飞机 能源号于1987年首次发射成功 曾将苏联的暴风雪号航天飞机成功地送上天 目前由于俄罗斯经济不佳就再也没有发射过 110 国外典型的运载火箭 能源号 Energia 系列 111 国外典型的运载火箭 阿丽亚娜 Ariane 系列 9 阿丽亚娜 Ariane 系列运载火箭阿丽亚娜火箭是由欧洲11个国家组成的欧空局研制的系列运载火箭 该系列已有阿丽亚娜l 5共5个子系列 目前正在使用的是阿丽亚娜 4和阿丽亚娜 5 阿丽亚娜 4于1988年6月15日进行了首次发射 其近地轨道运载能力为9 4t 地球同步转移轨道运载能力为4 2t 阿丽亚娜 5于1997年进行了首次发射 近地轨道运载能力为25t 地球同步转移轨道运载能力为7 5t 目前阿丽亚娜 5正在进行改进 将逐步把地球同步转移轨道运载能力提高到13 15t 112 国外典型的运载火箭 阿丽亚娜 Ariane 系列 113 国外典型的运载火箭 H系列 10 H系列运载火箭日本H系列运载火箭由H 1 H 2 H 2A等火箭组成 目前正在使用的H系列火箭只有H 2A和H2B 2001年8月首次发射成功 114 国外典型的运载火箭 H系列 115 国外典型的运载火箭 极轨卫星火箭 PSLV 11 极轨卫星火箭 PSLV 印度自行研制的极轨道4级运载火箭的太阳同步轨道运载能力为1t 低地轨道运载能力为3t 1993年9月首次发射 但由于火箭出现故障 卫星未能入轨 此后 该火箭连续三次发射成功 1999年5月 一箭三星技术又取得成功 116 国外典型的运载火箭 极轨卫星火箭 PSLV 117 我国运载火箭的发展 中国自1956年开始展开现代火箭的研制工作 1964年6月29日 中国自行设计研制的中程火箭试飞成功之后 即着手研制多级火箭 1970年4月24日 长征1号 运载火箭诞生 首次发射 东方红1号 卫星成功 长征 系列火箭已经走向世界 享誉全球 在国际发射市场占有重要一席 截止2012年11月累计发射171次 注 对内代号CZ 对外代号LM 118 我国运载火箭的发展 119 我国运载火箭的发展 120 长征一号系列运载火箭 长征一号系列包括长征一号运载火箭和长征一号丁运载火箭两个型号 它们都是三级运载火箭 主要用于发射近地轨道小型有效载荷 长征一号运载火箭于1965年开始研制 1970年4月24日 长征一号运载火箭发射了中国第一颗人造地球卫星 东方红一号 以后还进行了长征一号乙运载火箭 长征一号丙运载火箭的研制 但未投入生产 121 长征一号运载火箭 长征一号运载火箭于1965年开始研制 1970年4月24日 将中国第一颗人造地球卫星 东方红一号成功送入太空 该火箭共进行两次卫星发射 成功率100 另一次发射时间是1971年 122 长征一号丁运载火箭 长征一号丁运载火箭 CZ 1D 是1970年用于发射中国第一颗人造地球卫星的长征一号火箭的改进型号 它是一枚装有 变轨级 的三级小型运载火箭 主要用于发射近地轨道 LEO 和太阳同步轨道 SSO 小型卫星 123 长征二号系列运载火箭 长征二号系列运载火箭是中国的航天运载器的基础型号 在长征1号的技术基础上 发展了长征2号 长征三号和长征四号系列运载器 长征二号目前是中国最大的运载火箭家族 拥有长征二号 长征二号丙 长征二号丁 长征二号捆 E 长征二号F等型号 承担近地轨道发射任务 124 长征二号运载火箭 长征二号运载火箭是一种两级火箭 全长31 17米 最大直径3 35米 起飞重量190吨 能把1 8吨的卫星送入距地面数百公里的椭圆形轨道 1975年11月26日 长征2号火箭完成了中国第一颗返回式卫星的发射任务 125 长征二号丙运载火箭 长征二号丙运载火箭 CZ 2C 是在长征二号火箭的基础上改进设计的 使其近地轨道运载能力由原来的1800公斤提高到2400公斤 并使其可靠性大大提高了 采用了大推力液体火箭发动机 箭长为35 15米 近地轨道的运载能力增加到2 4吨 火箭的可靠性也大大提高 126 长征二号丁运载火箭 长征二号丁运载火箭 CZ 2D 是由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院研制 长征二号丁 运载火箭是在 长征四号 CZ 4 火箭的第一 二级的基础上研制的 用于发射各种低轨道任务的卫星 127 长征二号捆绑运载火箭 长征二号捆绑运载火箭 CZ 2E 是一枚大型两级捆绑式运载火箭 在其一级外部捆绑有四个直径为2 25米 高为15米的助推器 长二捆运载火箭主要用于发射近地轨道 LEO 有效载荷 配以合适的上面级 可进行中高低轨道 地球同步转移轨道等卫星的发射 长二捆火箭的研制成功 使我国首次突破了助推器捆绑技术 为我国的运载火箭进入国际发射服务市场起到了重要的推动作用 128 长征二号F运载火箭 长征二号F运载火箭 CZ 2F 是在长征二号捆绑运载火箭的基础上 按照发射载人飞船的要求 以提高可靠性确保安全性为目标研制的运载火箭 火箭 由四个液体助推器 芯一级火箭 芯二级火箭 整流罩和逃逸塔组成 是目前我国所有运载火箭中起飞质量最大 长度最长的火箭 129 长征三号系列运载火箭 长征三号系列运载火箭是我国目前承担高轨道发射任务的运载火箭 目前有 长征三号 长征三号甲 长征三号乙 长征三号丙 等型号 130 长征三号运载火箭 长征三号运载火箭 CZ 3 是以 长征二号丙 为原型加氢氧第三级组成的三级运载火箭 由中国运载火箭技术研究院负责总设计和研制第三级 第一 第二级由上海航天局承制 全箭总长44 56m 起飞质量202t 起飞推力2800kN 第三级氢氧发动机在高空失重条件下二次启动 其同步转移轨道推力为14kN 1984年1月29日首次发射 131 长征三号甲运载火箭 长征三号甲运载火箭 CZ 3A 是一枚大型三级液体推进剂火箭 也是我国同步轨道运载火箭的基本型 它主要用于发射地球同步转移轨道有效载荷 也可执行低轨道 太阳同步轨道和极地轨道任务 长征三甲火箭采用了改进的液氢液氧第三级 其同步转移轨道的运载能力达到2650千克 由于拥有更灵活先进的控制系统 长三甲运载火箭可以在星箭分离前对有效载荷进行大姿态调姿定向 并提供可调整的卫星起旋速率 因而具有很强的适应性 长征三号甲运载火箭在1994年11月和1997年5月两次成功发射了东方红三号卫星 132 长征三号乙运载火箭 长征三号乙运载火箭 CZ 3B 是中国近十年在国际发射服务市场上的主推火箭 它实际上是以长三甲作为芯级 在其一级上捆绑了长二捆的四个助推器 并采用了加长 加强的二级贮箱 其GTO运载能力一跃达到5100千克 长三乙火箭还可执行其它轨道要求的任务 并且还可满足有效载荷调姿 再定向和起旋要求 以及双星和多星发射的要求等 长征三号乙运载火箭在1997年8月和10月成功地发射了菲