航空航天与现代科学仪器PPT课件.pptx

航天航空仪器 三组吴犇寅 2020 3 19 1 激光测距仪 激光测距仪 是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器 激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光 由光电元件接收目标反射的激光束 计时器测定激光束从发射到接收的时间 计算出从观测者到目标的距离 激光测距仪重量轻 体积小 操作简单速度快而准确 其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一 2020 3 19 2 激光测距仪原理 利用红外线测距或激光测距的原理测距原理基本可以归结为测量光往返目标所需要时间 然后通过光速c 299792458m s和大气折射系数n计算出距离D 由于直接测量时间比较困难 通常是测定连续波的相位 称为测相式测距仪 当然 也有脉冲式测距仪 典型的是WILD的DI 3000 需要注意 测相并不是测量红外或者激光的相位 而是测量调制在红外或者激光上面的信号相位 建筑行业有一种手持式的激光测距仪 用于房屋测量 其工作原理与此相同 2 测物体平面必须与光线垂直通常精密测距需要全反射棱镜配合 而房屋量测用的测距仪 直接以光滑的墙面反射测量 主要是因为距离比较近 光反射回来的信号强度够大 与此可以知道 一定要垂直 否则返回信号过于微弱将无法得到精确距离 3 可以测物体平面为漫反射通常也是可以的 实际工程中会采用薄塑料板作为反射面以解决漫反射严重的问题 4 超声波测距精度比较低 使用比较少 5 激光测距仪精度可达到1毫米误差 适合各种高精度测量用途 2020 3 19 3 激光陀螺仪 现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器 它是现代航空 航海 航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器 它的发展对一个国家的工业 国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义 传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪 机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高 结构复杂 它的精度受到了很多方面的制约 我国成为继美法俄后 世界上第四个具备独立研制激光陀螺能力的国家 为我国打破国际垄断 在精确打击武器的导航定位 姿态测量与控制 精确制导 平台稳定等方面全面赶超世界强国奠定了重要基础 2020 3 19 4 激光陀螺及其军事应用 近日 国内媒体报道了国防科技大学激光陀螺创新团队的先进事迹 该团队矢志不渝 三代人攻关43载 终于使我国成为继美法俄后 世界上第四个具备独立研制激光陀螺能力的国家 为我国打破国际垄断 在精确打击武器的导航定位 姿态测量与控制 精确制导 平台稳定等方面全面赶超世界强国奠定了重要基础 不过 小陀螺如何与国防科技联系在了一起 激光陀螺是什么 许多人未必了解 2020 3 19 5 陀螺原理 及传统陀螺 先从陀螺说起 许多人小时候一定玩过一种玩具陀螺 冰猴 脚尖身圆的 冰猴 放在地上 用一根绳子做的鞭子猛抽 冰猴 猴身 就能转起来 用鞭子抽得越狠 它就转得越飞快 不会倒下 在日常生活中 我们也发现 如果一个物体旋转时速度很快 它就会稳定地立在一个地点不动 转速足够快的时候 即使平板倾斜一些 它仍然不会倒 并且转轴始终指向一个固定方向 这就是物体的 定轴特性 科学家利用 定轴特性 制造出能定向和定位的陀螺仪 通过将陀螺定轴方向与运载体的轴心相比对 就能得出运载体的正确方向和瞬时位置 而以陀螺仪为核心部件 进而组装出惯性导航系统或制导系统 因此 陀螺是航天 航空 航海装备及很多武器装备在作战中不可缺少的定位和导航装置 传统的惯性陀螺主要是指机电陀螺 但其稳定性以及定向与定位精度不够 不能满足现代武器精确打击的要求 科研人员一直希望能找到更好的陀螺仪 帮助运载体精确定位与定向 稳定运行 更好地发挥武器的效能 激光陀螺无疑是一种很好的替代品 2020 3 19 6 何为激光陀螺 科技名词定义 激光陀螺 学名 环形激光器 实际上是一种无质量的光学陀螺仪 利用环形激光器在惯性空间转动时正反两束光随转动而产生频率差的效应 测定敏感物体相对于惯性空间的角速度或转角 进而测定物体方向等 原理 一束光经分光器被分成完全相同的两束光后 进入同一环形光回路 分别沿顺时针方向和逆时针方向相向传播 如果让光回路绕垂直于自身的轴旋转起来 这两束光之间会产生相位差 利用光的干涉性能测出相位差 进而得出光回路旋转的角速度 如果光回路被制成一个环形激光器 其中传播的光就是方向性好 聚束性强 相干性优的激光 因此就形成了一个能通过敏感角速度来测定方向与姿态并具有快速寻北与稳定作用的激光陀螺 主要作用 主要用于精确打击武器的导航定位 姿态测量与控制 平台稳定 为它们有效完成作战任务提供更好的保障 2020 3 19 7 在军事上的主要应用 首先 激光陀螺用于为各类战机和精确打击武器提供导航和制导所需要的实时航向 速度 高度 姿态等空间位置信息 使战机能可靠飞行和灵活进行高速战术机动 并使精确打击武器的射程和命中精度得到很大提升 同时 它还为机动发射的弹道导弹 巡航导弹寻北提供方位基准 使它们能实现快速定向定位 准确地命中目标 其次 为舰艇 潜艇和制导鱼雷提供航向 航深 航速和位置等基准数据 使它们不依赖于任何外部信息 就能独立地进行实时导航 第三 作为稳定调节系统的重要组成部分 使坦克 装甲车等陆地战车在行进中 实时感知车体上仰和下俯等动作 自动将火炮和机枪等武器稳定在原定方向和位置 保证武器瞄准和射击时不受车体行进过程的影响 第四 作为航天器姿态和轨道控制系统的重要组成部分 协助卫星保持正确姿态 使其天线波束始终能对准地球覆盖区 准确完成对地面转发和传播信号以及对地面目标的探测 第五 用于运载火箭的惯性制导系统中 简化导引和控制系统结构 减小火箭的控制难度 增强火箭的飞行稳定性 同时降低火箭的发射重量 增大火箭的运载能力 提高航天器的入轨精度以及机动性和变轨能力 2020 3 19 8 激光陀螺仪工作原理 陀螺仪基本上就是运用物体在高速旋转时 角动量会很大 旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质为依据 用它来保持一定的方向 制造出来的定向仪器 不过它必需转得够快 或者惯量够大 也可以说是角动量要够大 不然 只要一个很小的力矩 就会严重影响到它的稳定性 所以设置在飞机 飞弹中的陀螺仪是靠内部所提供的动力 使其保持高速转动的 2020 3 19 9 1986年 挑战者号航天飞机解体 所有的航天飞机停飞两年 2003年 此前刚执行过第4次维修哈勃空间望远镜任务的哥伦比亚号航天飞机在返回时失事 所有的航天飞机再次停飞两年停飞两年 2020 3 19 10 哈勃空间望远镜 哈勃空间望远镜 HubbleSpaceTelescope 缩写为HST 1 是以天文学家爱德温 哈勃为名 在轨道上环绕着地球的望远镜 它的位置在地球的大气层之上 因此影像不会受到大气湍流的扰动 视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光 还能观测会被臭氧层吸收的紫外线 它于1990年成功发射 弥补了地面观测的不足 帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题 使得人类对天文物理有更多的认识 是天文史上最重要的仪器之一 2011年11月 借助哈勃空间望远镜 天文学家们首次拍摄到围绕遥远黑洞存在的盘状构造 2013年12月 天文学家利用哈勃太空望远镜在太阳系外发现5颗行星 它们的大气层中都有水存在的迹象 是首次能确定性地测量多个系外行星的大气光谱信号特征与强度 并进行比较 2020 3 19 11 原理 大气层中的大气湍流与散射 以及会吸收紫外线的臭氧层 这些因素都限定了地面上望远镜做进一步的观测 太空望远镜的出现使天文学家成功地摆脱地面条件的限制 并获得更加清晰与更广泛波段的观测图像 一架苏联A 60机载激光武器试验机上的徽标 明确显示出以激光武器攻击哈勃空间望远镜的图像 因而引发对哈勃空间望远镜是否单纯用于和平用途的争论 以及反对太空军事化的抗议 更有阴谋论者进一步指出 哈勃空间望远镜初期的 近视 缺陷乃有意为之 直至苏联解体后两年才加以修正 2020 3 19 12 光学系统 望远镜的光学部分是整个仪器的心脏 它采用卡塞格林式反射系统 由两个双曲面反射镜组成 一个是口径2 4米的主镜 另一个是装在主镜前约4 5米处的副镜 口径0 3米 投射到主镜上的光线首先反射到副镜上 然后再由副镜射向主镜的中心孔 穿过中心孔到达主镜的焦面上形成高质量的图像 供各种科学仪器进行精密处理 得出来的数据通过中继卫星系统发回地面 2020 3 19 13 高速光度计 高速光度计是安装在哈勃太空望远镜的科学仪器之一 他被设计得能够快速的测量天体的光度变化和偏极性 它可以在紫外线 可见光和近红外线的波段上 每10微秒测量一次光度 新颖的设计使它能透过各种滤镜和孔径去观察 却没有任何运动的机件 高速光度计是随著哈勃太空望远镜一起升空的仪器之一 但因为主镜的光学问题而未能成功的使用 在1993年12月 第一次的哈勃维护任务中 就被为矫正其他仪器的光学问题的太空望远镜光轴补偿校正光学 COSTAR 替换掉 2020 3 19 14 广域和行星照相机 WFPC 广域和行星照相机 WFPC 发音如同wiffpick 是安置在哈勃太空望远镜上的一架照相机 他是在哈勃发射时就安装在上面的仪器之一 但是他的功能因为主镜的光学瑕疵而被严重的削弱 而即使在哈勃太空望远镜有像差的情况下 仍然有一定数量的发现 他在明亮天体的观测上产生可贵且有价值的高解析力图像 广域和行星照相机是由任教于加州理工学院的行星科学家詹姆斯A 韦士伐提议的 并且在喷射推进实验室的管理下完成设计和制造 在他提议的年代 1976 CCD CCD是一种半导体器件 能够把光学影像转化为数字信号 CCD上植入的微小光敏物质称作像素 Pixel 几乎未曾用在天文学的影像处理上 但是他的高解析力 让天文学家强烈的建议应该考虑在哈勃太空望远镜的仪器上使用 广域和行星照相机包含了两架独立的相机 每架都有四片德州仪器的800X800画素CCD 构成了相邻接的视野 广域照相机的每个画素视野为0 1弧秒 在牺牲角解析力的情况下可以对光度微弱的天体进行全景观测 行星照相机每个画素的解析力为0 043弧秒 用于高分辨率的观测 利用一个可以转动45度的四面体的金字塔来选择使用的相机 2020 3 19 15 WFPC2 3 在1993年12月STS 61的维修任务中 广域和行星照相机被新的第二代替换 为了避免混淆 通常WFPC就是第一代的广域和行星照相机 新机称为WFPC 2 WFPC 2是由原先的备用机改良的 主要是修正了主镜的像差 WFPC3使用的是当年从哈勃上带下来的WFPC的壳 真会废物利用啊 使用两个2048x4096px的CCD在可见光 紫外线波段进行观测 再加上另外的一个红外线感光器 专司红外线波段 红外线感光器是JamesWebb太空望远镜 哈勃的 后继者 将使用的设备的开路先锋 2020 3 19 16 黑匣子 什么是黑匣子 黑匣子学名航空飞行记录器 是飞机专用的电子记录设备之一 它能把飞机停止工作或失事坠毁前半小时的语音对话和两小时的飞行高度 速度 航向 爬升率 下降率 加速情况 耗油量 起落架放收 格林尼治时间 还有飞机系统工作状况和发动机工作参数等飞行参数都记录下来 需要时把所记录的内容解码 供飞行实验 事故分析之用 2020 3 19 17 黑匣子发展历程 黑匣子伴随着飞行安全的迫切需求以及飞机制造水平的不断进步而快速发展 一般行业内比较认同将黑匣子从诞生到眼下发展分为四代 2020 3 19 18 第一代 铂带记录器 第一代黑匣子 诞生于上世纪50年代初 是在飞机设计试飞记录设备的基础上改进而来的 其工作原理为通过在金属箔带上用针留下划痕来反映数据变化曲线 仅能记录航向 高度 空速 垂直过载和时间等5个飞行参数 已淘汰 2020 3 19 19 第二代 磁带记录器 第二代黑匣子 出现于上世纪50年代末 其工作原理类似于普通磁带机 但在磁带机外面加装了具有抗冲击 耐火烧等能力的保护外壳 按照美国联邦航空局当时颁布的第一个黑匣子标准TSO C51 要求黑匣子能够承受100g 重力加速度 持续11ms的冲击 以及1100 30分钟的火烧 1966年标准更新为TSO C51a 将抗强冲击指标提高到1000g 并增加了抗穿透 静态挤压 耐海水浸泡 耐腐蚀液体浸泡等要求 第二代黑匣子一般可以记录几十个参数 并同时出现了座舱音频记录器 已基本淘汰 2020 3 19 20 第三代 半导体固态记录器 第三代黑匣子 出现于上世纪90年代 随着微电子技术的突飞猛进 黑匣子开始采用半导体存储器记录数据 随着对飞机坠毁时黑匣子破坏情况的不断深入认识 黑匣子的抗坠毁能力标准更新为TSO C124 抗强冲击指标提高到3400g 1100 高温火烧时间提高到60分钟 耐海水浸泡时间由36小时增加到30天 增加了耐6000米深海压力要求 1996年 美国联邦航空局发布了TSO C124a标准 增加了抗260 10小