第07章--航天概论分解.ppt

第九章航天技术 1航天发展简史2航天器的飞行原理3航天器的分类与结构4航天发射场5运载火箭 航天发展简史在各类星空神话中 对于天空中的明亮天体 太阳和月亮 人类发挥了无与伦比的想象力 不过中国人对于太阳有时不那么客气 对于月亮则寄予优美的传说 于是便产生了 夸父追日 后裔射日 嫦娥奔月 这几则千古传颂的神话 后裔射日嫦娥奔月随着生产力的发展 人类对各种飞行活动进行着不断的尝试 进一步反映了古人征服自然 飞向宇宙的渴望与幻想 孙悟空最为精彩的当属孙行者的筋斗云 飞行记录连当代的超音速战机都自叹弗如 似乎意味着当代人类的航空航天工具仍由改进余地 最初的尝试巧夺天工的中国古代飞行器二十世纪航天技术的发展太空先行者 动物飞上天航天英雄 万户飞天 火箭 早在距今1700多年前三国时期的古籍上就出现了 火箭 的名称 工作原理 油松 艾草等易燃物 元明时代 火箭已经具备了现代火箭的基本组成部分 箭头 推进系统 火药筒 稳定系统 尾部羽毛 和箭体结构 箭杆 到了明代 古代的火箭技术发展的更加完备 出现了 神火乌鸦 原理 内部装满火药 发射后能飞一百多丈才能落地 此时药线被引燃 内部火药爆炸 火龙出水 图 原理 五尺长的大竹筒 做成一条龙 龙神前后各扎两支大火箭 这是第一级火箭 用来推动龙身飞行 在龙腹里 也装有几只火箭 这是二级火箭 这是原始的两级火箭 进入20世纪 近代航天技术得到迅速发展 火箭之父 齐奥尔科夫斯基 俄罗斯人 于1883年在 自由空间 论文中提出了宇宙飞船的运动必须利用喷气推进原理 并画出了飞船的草图 1903年发表 利用喷气工具研究宇宙空间 的论文 推导出发射火箭运动必须遵循的 齐奥尔科夫斯基公式 1929年提出了多级火箭的构想 为研制克服地球引力的运载工具提供了理论支持 火箭实验创始者 戈达德 美国人 于1919年发表经典名著 达到极大高度方法 中透彻的阐述了火箭运行的基本原理 同时详尽的论述了火箭把人和设备送上月球的可行性 1935年 戈达德的火箭冲破的20KM 时速超过1193KM 首次实现了人造飞行器的超音速飞行 航天第一设计师 冯 布劳恩生于德国的冯 布劳恩13岁时就用6支特大焰火把自己绑在滑板车上 点燃导火索进行飞行实验 1937年布劳恩进入德国佩内明德大型火箭实验基地 领导火箭的研制 他研制的V 2火箭 图见下页 成为现代火箭的鼻祖 后至美国 先后研制了红石 丘比特 潘兴等导弹 1969年7月16日临晨在肯尼迪航天中心指挥发射了 阿波罗 号飞船并成功登月 布劳恩 V 2火箭 动物作为载人航天的先行者 为人类上太空开创了先行之路 二战后 1948年6月到1949年9月 美国科学家用缴获的V 2火箭先后4此将猴子发射到60多km的高空 然而在返回地面时 4只猴子全部被摔死 它们成为了人类奔向太空的第一批牺牲者 1952年2月 美国又用火箭发射了2只猴子 这一次猴子活着返回了地面 验证了动物所能承受的飞行加速度 原苏联从1949年到1958年的10年间 先后进行了31次生物火箭的发射 将42只小狗送上了太空 1957年以前的动物飞行实验 都未达到地球轨道高度 1957年11月苏联发射第二颗人造地球卫星 伴侣 2号 将一只名叫 莱伊卡 的小狗送到地球轨道 这是第一次进入地球轨道飞行的动物 小狗 莱伊卡3年后 名字分别叫 皮西尔卡 和 马斯卡 的两只小狗在太空飞行两天后 在返回途中因座舱失火而被烧死 1959年12月4日 美国发射 水星 飞船金属模型时 把一只叫 萨姆 的恒河猴送上太空 这只猴也安全返回地面 1961年美国的水星号飞船吧一只黑猩猩载入太空 在经历太空飞行猴 回收舱溅落在大西洋上 打捞上岸猴发现 哈姆 安然的呆在座舱中 动物飞行实验的成功 基本上证明了人可以 飞 上太空 而且可以在那里生活 太空哥伦布 尤里 加加林 1961 4 12 前苏联宇航员加加林驾驶着 东方 1号飞船成为世界上第一个载人进入外层空间的航天器 在108min的飞行中 加加林由上尉荣升为上校 不让须眉的首位登天女英豪 捷列什科娃 瓦连金娜 捷列什科娃是世界上第一位女太空人 1963年6 16日她驾驶 东方 6号宇宙飞船在太空遨游70h50min 也是迄今为止唯一一位在太空单独飞行近3天的女性 太空漫步第一人 列昂诺夫登月第一人 阿姆斯特朗遨游天宫最多的人 约翰 扬 航天器的飞行原理 航天器由运载工具发射升空到完成全部任务返回的过程包括三个阶段 发射入轨道段 轨道运行段和返回再入段 对应的有发射轨道 运行轨道和返回轨道 航天器在轨道运行阶段主要是地球引力作用下无动力惯性飞行 所以航天器可以采用天体运动类似的方法研究 宇宙速度从地球表面发射飞行器 环绕地球飞行所需要的最小速度称为第一宇宙速度 又叫环绕速度 假设地球没有大气层 物体能绕地球运动的最低轨道就是半径与地球半径相同的圆轨道 因此地心引力等于航天器做圆周运动所需要的向心力mg mv R式中 g 重力加速度m 航天器质量R 地球半径v 航天器速度 由上式可得圆轨道速度为7 91km s 这是从地面发射航天器使其环绕地球运动所需要的最小速度 当物体获得这一速度后 不需要再加动力就可以环绕地球飞行 第二宇宙速度当物体的速度达到11 18km s时 物体轨道是一条抛物线 物体沿这条抛物线飞离地球 成为绕太阳运转的人造行星 第三宇宙速度当物体的速度达到16 6km s时 物体将脱离地球引力 在太阳引力的作用下沿抛物线绕太阳运动 并最终飞离太阳系 轨道要素通常把中心重力场内的被运动 无动力飞行 称为开普勒运动 而把开普勒运动的三种轨道情况 椭圆轨道 抛物线轨道和双曲线轨道称为开普勒轨道 描述航天器的开普勒轨道要素有6个 1轨道半长轴2轨道偏心率3轨道倾角4升交点赤经w5近地点幅角 6近地点时刻tp 轨道半长轴a长度是椭圆长轴的一半 可用千米或地球赤道半径或天文单位为单位 轨道偏心率e椭圆轨道两焦点之间的距离与长轴长度的比值 e 1时是抛物线轨道 e 1时是双曲线轨道 轨道倾角i轨道平面与地球赤道平面的夹角 i90 为逆行轨道 升交点赤经w当轨道倾角i 0时 轨道与赤道由两个交点 卫星由南向北经过赤道的一点叫交点 由北向南经过赤道的一点叫降交点 地球绕太阳公转中 太阳从南半球到北半球时穿过赤道的点称为春分点 春分点与升交点对地心的张角为升交点赤经 近地点幅角 近地点与升交点对地心的引角 沿卫星运动方向从升交点量到近地点 近地点幅角决定了椭圆轨道在轨道平面的方位 近地点时刻tp卫星通过近地点的时刻 以年 月 日 时 分 秒表达 卫星轨道卫星轨道是指从运载火箭与卫星分离开始 到卫星返回地面时为止 卫星质心的运动轨迹 它取决于星箭分离点的位置和速度 根据卫星不同的任务 其轨道可分为 圆轨道 椭圆轨道 地球同步轨道 极轨道等 航天器分为无人航天器和载人航天器 无人航天器按是否环绕地球运动分为人造地球卫星和空间探测器 载人航天器又可分为宇宙飞船 空间站和航天飞机等 它们按照用途和飞行方式还可进一步分类 人造地球卫星简称人造卫星 是航天器中数量最多的一类 占所有航天器数量的90 以上 按用途可将卫星分为科学卫星 应用卫星和技术实验卫星 科学卫星 发展科学卫星的主要目的是 研究近地空间环境和日地关系 为载人飞船 应用卫星和战略武器的发展提供资料 进行天文观测 对地球科学 例如地球磁场 电离层与磁层的关系 地壳力学 海洋动力学等方面进行研究 美国哈勃太空望远镜科学卫星陆地一号 应用卫星 世界上第一颗陆地资源卫星美国1972年7月23日发射的 应用卫星 利用星载仪器设备 以应用为目的 在轨道上完成某种任务的卫星 技术试验卫星 技术试验卫星是针对某些航天器的特殊新工艺或某项新的系统技术而设计的 其目的是进行预先的飞行试验 我国实践四号科学实验卫星 卫星结构因用途而异 但从功能上看都由承力结构 外壳安装部件 天线 太阳能电池阵结构 防热结构和分离连接装置等组成 1承力结构承力结构与运载火箭相连接 承受发射时火箭推力 需要很高的强度和刚度 一般由铝合金 钛合金或纤维增强复合材料制成 形状为薄壁圆柱壳 波纹或蜂窝夹层圆柱 截锥壳和杆件 2外壳外壳是外星最外层 形成外星的外表面 也承受以部分外力 起承力构件作用 由于外星在运行中几乎不受空气阻力作用 故其外形无特殊要求 3安装部件安装部件是安装仪器设备 并保证安装精度和防振 防磁 密封等要求的结构 4天线结构天线结构为抛物面形 有固定式和展开式 通常由线膨胀系数很小的石墨纤维复合材料制成 展开形貌有 伞式 花边式 渔网式和桁架式 5太阳能电池阵俗称太阳能帆板 利用光电转换给卫星提供能量 对月球和月球更远的天体和空间进行探测的无人航天器称为空间探测器 探测的主要目的是了解太阳系的起源 演变和现状 探索生命起源和演变 寻找外地生命等 主要的探测方式 从被探测天体附近飞过 进行进距离观测 在被测天体表面硬这陆 利用撞击前的短暂时间进行考察 在被探测天体表面软着陆 进行实地考察 取样研究或将样品送回地球研究 苏联 月行者 2号月球车苏联月球2号探测器 载人飞船是指能保障航天员在外层空间生活和工作以及执行航天任务并返回地面的航天器 又称宇宙飞船 一般由返回座舱 轨道舱 服务舱 对接舱和应急救生装置等部分组成 见下图 轨道舱是航天员在轨道上的工作场所 里面装有各种实验设备 服务舱通常安装推进系统 电源和气源等设备 对飞船服务保障作用 对接舱用于飞船和其他航天器的对接 应急救生装置保障在应急情况下 使航天员安全返回地面或转移到其他航天器上 返回座舱是飞船上升和返回过程中航天员乘坐的舱段 是载人飞船的核心舱段 要能承受再入大气层返回地面阶段的减速过载和气动加热也是整个飞船的控制中心 空间站又称轨道站 分为单一式和组合式两种 单一式空间站由运载火箭直接发射入轨 组合式空间站由若干次火箭发射或航天飞机多次飞行 把空间站的组合件运送到轨道上组合而成 空间站可供多个航天员长期工作和居住 由对接舱 气闸舱 轨道舱 生活舱 服务舱 专用设备舱和太阳能电池板等部分组成 和平号空间站 国际空间站由美国 俄罗斯 日本 加拿大等过联合研制开发 航天飞机是一种可以重复使用的 往返与地球表面和近地轨道之间的航天器 由轨道飞行器 外挂燃料箱和固体助推火箭三部分组成 依靠火箭推进太空 返回时像飞机一样依靠空气动力下滑着陆 目前只有美国和苏联建造可航天飞机 其中美国五架 挑战者号 哥伦比亚号 发现号 亚特兰蒂号 奋进号 已坠毁架 苏联的航天飞机没有正式投入使用 哥伦比亚号前苏联暴风雪号 挑战者号 航天发射场 航天发射场 又名航天发射中心或航天港 一般都是在导弹靶场和火箭实验场的基础上发展起来的 主要由技术区 发射区 生活区以及气象 后勤保障 安全警戒等系统组成 航天发射场作为人类登天的起点 有严格的条件要求 航天发射场的基本要求 1有利的地理位置和地形条件2良好的气象和水资源条件3可靠的安全保障条件4世界主要载人航天发射场 由于地球附近的自转速度最大 发射载人飞船时 为了充分利用地球的自转速度 以节约能源 航天发射场最好设在赤道上 没有这个条件的国家 也应尽量在低维度地区选择发射场址 同时由于地球是自西向东旋转的 所以运载火箭一般向东发射 设置在赤道上的发射场 斯里哈里科塔发射场位于印度南部东海岸的斯里哈里科塔岛 正式使用于1977年 是印度的导弹试验和卫星发射场 航天发射场应由充分的水资源 火箭喷焰导流槽需要大量的水来冷却喷焰造成的高温和清洗有害的推进剂残迹 同时 航天发射场的其他工业和生活设施也需要水 导流槽 气象条件是发射载人飞船的重要条件之一 恶劣的气候会造成发射失败 雷电可产生30 300千安的强电流100 500兆伏的高电压 使火箭和飞船上的电缆和电子线路形成强的感应电压和电磁波 破坏控制和遥测系统的工作 甚至引起爆炸 因此火箭发射场应建立在晴日多 雷雨少 湿度低 风速小 温差不大的地区 挑战者号航天飞机密封圈渗进冰水 发射后不久爆炸 运载火箭的许多燃料具有很强的毒性 燃烧时会产生有害气体 污染场区环境 火箭发射时会产生强烈振动 噪音和超压 对人体健康构成严重威胁 完成任务后抛弃的火箭 其残骸会像陨石一样危及人们的生命财产 防不胜防的其他突发事件也可能威胁发射场区和飞船附近居民的生命财产安全 航天发射场应选择在远离工业发达和人口稠密的地区 俄罗斯的宇航明珠 拜科努尔航天发射场位于哈萨克斯坦拜克努尔市西南288公里处 建于1955年 是前苏联最大的导弹和各种航天飞行器发射场地 美国的航天大腕 西部航天和导弹试验中心位于美国西部洛杉矶北面的西海岸 成立于1964年5月 是美国最重要的军用航天发射基地 主要用于战略导弹武器试验 武器系统作战试验和发射各种军用卫星 极地卫星等 航天发射次数居全美之首 中国酒泉卫星发射中心位于我国甘肃省酒泉以北的戈壁滩上 建于1958年 是利用长征系列火箭发射大倾角 中低轨道的各种试验卫星和应用卫星的主要基地 意大利圣马科发射场位于肯尼亚福莫萨湾海岸约5公里的海上 正式启用于1967年 是世界是唯一的海上航天发射场 曾多次用美国的 侦察兵 火箭发射小型航天飞行器 运载火箭一般由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 末级由仪器舱 内装制导系统 遥测系统和发射安全系统 级与级间靠间断连接 有效载荷在仪器舱上面 外面套有整流罩 许多运载火箭的外围绑有助推火箭 又称零级火箭 助推火箭可以是固体火箭 也可以是液体火箭 推进剂一般为 液氧 液氢 多级火箭一般有串联型 并联型和混合型三种组成 串联型火箭是各子级之间首尾相连