也是飞船的指挥中心.ppt

第九章载人飞船的控制技术,第九章载人飞船的控制技术,9.1载人飞船的结构组成9.2载人飞船的制导与控制9.3载人飞船的再入返回控制,载人航天是现代科学技术发展的一个显著标志。自1961年4月世界上第一艘载人飞船“东方号”上天以来，已有40年的历史了。在此期间，世界各国为发展载人航天技术，投入了巨大的人力和物力，实施了一个又一个载人航天计划。发展载人航天技术，有着重要的经济、科学与军事上的需要。本章简要介绍载人飞船的基本结构，以及导航、制导与控制的基本原理。,第九章载人飞船的控制技术,载人飞船是一种载人的小型航天器，它的构造要比人造卫星的构造复杂得多。载人飞船除了具有类似人造卫星的结构系统、姿态控制等设备之外，为了保证航天员在飞行过程中正常的生活和工作，还有许多特殊的设施。,9.1载人飞船的结构组成,载人飞船曾在人类遨游宇宙、突破载人航天方面起到了历史性的里程碑作用。后来前苏联用它为“礼炮号”空间站和“和平号”空间站接送航天员以及运送部分物资。未来载人飞船还将成为空间站和空间基地的轨道救生艇。总之，航天器上载人将从根本上改变它的外形、结构特性设计和制作的方法，这是因为必须保障人在航天飞行条件下生活和工作所需的一切。,阿波罗载人飞船,9.1.1载人飞船的结构特点,1、载人飞船的组成载人飞船的结构采用分舱段布置的原则。从再入与否分为再入舱(也称返回舱)和其他舱段。再入舱是需要再入大气层的飞船舱段，它具有再入时的防热结构。座舱是再入舱的核心部分，是航天员工作与生活的地方，也是飞船的指挥中心。有些飞船的整个再入舱就是座舱。从功能上分，可分为座舱和服务舱,2、载人飞船的特点1）返回地球的特点改变轨道的动力装置：在完成轨道飞行任务后，为完成返回地球的程序，必须对飞船实施制动使其进入返回轨道。对于远距离的飞行必须修正返回轨道，这就要求飞船具有改变轨道的动力装置及一系列其他系统，例如姿态控制和运动控制系统，它的执行机构系统、供电系统等。,载人飞船返回地球时必须有气动加热防护系统和着陆系统。一般返回和乘员的着陆由专门的舱段来完成再入舱，也称为返回舱或着陆舱。它本身应具有达到稳定与控制所要求的气动特性的外形，并且在工作时应保证运动的稳定性、着陆足够的精确性以及乘员所能承受的过载。,2）保证乘员生活及活动条件的特点密封舱：乘员的生活条件只能在宇宙空间的密封舱中得以保证，为此每个载人飞船均有自己的密封舱，其中的大气条件应能满足呼吸的需要并经常地更新。座舱的体积和尺寸应能使人在其中完成习惯的动作(例如全身的伸展)和相应的飞行任务。,温控系统：在座舱中应能保持正常的温度条件，因此座舱也必须有温控系统。食物、水、卫生保障系统：在飞船上必须有足够的食物、水、卫生保障、不同物品的收集器、卫生设备，以及为睡眠用的一切设备。所有这些设备应考虑到它们是工作于一个封闭的体积中和失重的条件下。逃逸口：在座舱结构设计中，首先要考虑到航天员进出方便，还要有逃逸口。,工作位置和舷窗：工作位置应合理地安排并能观察到飞船外部的状况，获得飞船各系统工作信息，进行与地球及其他载人飞船的联系。因此，飞船的座舱应设有视野开阔的舷窗，航天员通过舷窗可观察发射前的准备活动，轨道飞行中交会对接情况，返回点火时的姿态控制与机动和再入着陆的地面情况等等。柔和的光线和明亮的照度：在飞行过程中，航天员将操作座舱内的大量船载设备单元进行工作，座舱内柔和的光线和明亮的照度，使航天员可以清楚地分辨仪表的读数。,3）飞行安全的特点任何一种航天器在其研制的开始就应给出顺利完成任务的概率或是完成飞行计划的可靠性，尔后要做出证实，一般地，该概率在9598的水平上而对于载人飞船还应补加上保证乘员安全的概率或是飞行安全度。相应的概率应在99以上。除保证可靠性以外，还要组织系统的职能备份，如自动工作状况辅以手动操作，引入专门故障时的乘员救生设备，装配备份仪表和机件等。,9.1.2几种载人飞船的主要构造1前苏联的载人飞船至今，前苏联发展和研制的载人飞船有“东方号”、“上升号”、“联盟号”3种。为配合载人空间飞行，前苏联还研制了一次性的自动运输飞船“进步号”。,(1)“东方号”载人飞船：该系列的载人飞行系统是前苏联的早期载人飞船，在19611963年间共发射6次。1961年4月，发射了“东方l号”载人飞船，成功地把航天员加加林送入了近地飞行轨道，飞行108min后，安全着陆，完成了人类的第一次载人空间飞行。,“东方号”飞船是由再入舱及设备舱两部分组成。这两部分由爆炸锁锁住的四根可系紧的钢带连结。整个飞船的质量约为4.73t。再入舱亦为航天员座舱，是一个直径为2.3m的球体，上面覆盖有防热层，它的质量是2.4t。设备舱是一个周围装有许多球形容器的双锥结构。在设备舱内装有轨道飞行时所需要的系统和设备，如电源和压缩气瓶等。其中还装有制动火箭发动机，用来使飞船制动而脱离轨道。发动机工作完毕后，进行舱段分离，设备舱及其用过的制动火箭发动机在稠密大气中烧毁，而再入舱安全返回地面。,在发射过程中，整个飞船安装在运载火箭头部整流罩内，以防止发射环境对飞船的影响。当飞船座舱返回地球到达低空的时候，航天员乘坐弹射座椅离开飞船座舱，乘降落伞单独着陆。,(2)“上升号”载人飞船：“上升号”飞船基本上是“东方号”飞船的改型，其构造特征与“东方号”飞船类似。在座舱外增设了气密过渡舱或称闸门舱，以便进行舱外活动。由于航天员增至2到3人，从容积上考虑取消了座舱内的弹射座椅，而用普通座椅代替。此外，还增加了着陆火箭，用于着陆时进一步降低飞船速度。(3)“联盟号”载人飞船：在“上升号”飞船结束飞行后，前苏联的载人空间飞行停顿了两年。至1967年4月，前苏联开始发射“联盟号”飞船，至今已发射了数十艘。“联盟号”飞船是苏联的第三代载人飞船，它已改型两次，分别称“联盟T”和“联盟TM”。“联盟号”系列飞船高7.48m，最大直径约2.72m，总质量为6.8t，,由球形轨道舱、钟形再入舱和圆柱形服务舱等三个舱段组成，如图9.2所示。,图9.2“联盟号”载人飞船,2美国的载人飞船美国的载人飞船有三种，分别是“水星”、“双子星座”和“阿波罗”飞船。(1)“水星”载人飞船：“水星”飞船是美国的第一代载人飞船，从19611963年间进行了6次飞行。,飞船的球面形底部外壳有烧蚀防热层，底部上面的锥形部分是座舱。座舱外表面有辐射防热结构，内部有一个载人密封压力舱。座舱内安装有环境控制系统，电源系统及其他有关系统和设备，此外还有必要的仪表显示及操纵装置。座舱上面的圆柱部分是回收舱，舱内主要包含有降落伞系统，外表面为金属铍。顶部截锥是,天线舱，除天线外还装有稳定伞及红外地平仪。有两个供航天员出入的舱口，一个在飞船的侧面作进出用，另一个通过飞船座舱上面的圆柱体。座舱上还有一个大舷窗供航天员观察用。在发射时，救生塔系统通过夹紧环固定在飞船回收舱顶部，在正常飞行中飞船飞出大气层时就被抛掉。,(2)“双子星座”载人飞船：“双子星座”载人飞船是简单的“水星”飞船和复杂的“阿波罗”飞船之间的桥梁。在1965年和1966年中进行了10次载人飞行，作了多次轨道交会和对接试验，为“阿波罗”飞船载人登月飞行作了准备。,飞船可以分为两个大部分，即再入段与过渡段，前者是需要再入回收的部分，后者只在轨道飞行时利用，再入前将它抛掉。,再入段又可分为3个舱。最前面的是交会回收舱，内装有交会雷达和降落伞系统等，在其前端有一块玻璃钢材料制的整流罩，上面有烧蚀材料层，作为交会雷达的热防护。整流罩在运载火箭的第二级发动机点火后45s抛掉。中间的一段为再入控制舱，内装有再入姿态控制系统的设备，再以下就是载人的座舱，内乘坐两名航天员和装载有关的仪表设备。,过渡段又可分为制动舱与设备舱。制动舱用于飞船再入前的制动，它装有4个制动火箭及6个轨道姿态及机动系统的推力燃烧室。设备舱用于安装轨道飞行应用的各种仪器设备。从外部结构看，过渡段的两个舱实际上是一个整体，成为飞船的一个空间辐射器，能把座舱内的热量排散到宇宙空间中去，保证座舱内有适宜的温度。,(3)“阿波罗”载人飞船：“阿波罗”载人飞船是美国的第三代载人飞船，从1968年到1972年期间进行了11次载人飞行，其中6次登上月球。首次登月是在1969年7月20日实现的。当时，“阿波罗-11”把美国航天员阿姆斯特朗和奥尔德林送上月球。除救生塔系统和飞船与运载火箭过渡舱外，“阿波罗”飞船主要由三部分组成，即指挥舱、服务舱及登月舱，总质量约为45t。,登月舱由“下降段”和“上升段”组成。下降段里有下降发动机和四条着陆架，它能够把两名航天员送到月球上。上升段里有环境控制系统、通信和电源设备。在登月过程中，两名航天员在这里生活和工作，登月舱上升段就成为航天员的一个临时性探险基地。上升段里还有上升发动机，航天员在月面上完成任务后，上升发动机使他们飞离月面，送回在月球轨道上飞行的指挥舱。,飞船的制导与控制工作是由两个相互联系的分系统来完成的，这就是导航与制导系统和稳定与控制系统。这两个分系统感测出姿态和轨道变化诸参数，处理这些信息，并把它变为飞船推进装置的指令。导航与制导系统的功能是使飞船遵循正确的航线飞行，它有控制飞船轨道的能力，也要求有引导救生的能力。稳定和控制系统使航天员能在飞行的各个阶段或者手动地或者自动地操纵飞船，它的功能一般是进行飞船姿态的控制以及主推进装置点火方向或推力矢量的控制。该分系统的所有控制功能都是导航与制导系统的后援，它也可用作惯性基准的后备系统。,9.2载人飞船的制导与控制,9.2.1飞船的导航与制导系统飞船的导航与制导工作一般可有三条不同的渠道，如图9.6所示。,第一，由地面雷达监视飞船，并将所测得的数据传给地面控制中心的实时计算机处理，计算机将飞船目前的位置与速度由通信系统通知飞船的导航与制导计算机；第二，飞船本身的惯性测量仪器测出的飞船方向和速度的变化，提供给飞船计算机；第三，航天员在飞船上进行天体观测所得的位置与速度数据也通过键盘输人飞船计算机。飞船计算机在收到这三条渠道的信息后，便与记忆系统储存的预定程序资料相比较，从而向飞船发动机发出校正航线的指令和数据。飞船导航与制导系统一般包括3个子系统，即惯性系统，光学系统及计算机系统。3个子系统的每一个在应急期间都应能独立操作，这样，其中一个发生故障将不损坏整个系统。,(1)惯性测量系统：对于不同的飞船其惯性测量系统是不同的，但其基本惯性导航的原理是一致的。即把加速度计安装在由陀螺稳定的惯性平台上，无论飞船的运动方向和姿态如何改变，平台始终稳定保持在惯性空间中的取向，从而保证加速度计能够测量出飞船相对于惯性空间的三轴加速度，进而积分获得飞船的飞行速度和位置。本书第八章第8.2节对此已详细介绍，这里不再重复。(2)飞船的光学测量系统：该系统的具体形式也是多种多样的，其中以“阿波罗”飞船的光学测量系统最有代表性。这个系统主要由一个空间六分仪与一个扫描望远镜组成，并配以自动星跟踪器和光度计等。这是一个由航天员参与的光学测量系统或天文导航系统。图9.7所示的空间六分仪是一个具有两条视线的窄视域28倍放大率的仪器。,(3)载人飞船的计算机系统：它是整个导航与制导系统的心脏。在空间飞行中，为了使由敏感器获得的数据产生导航或制导信号，要求在作为指令进行显示与发送之前对这些数据进行处理而后在计算中应用，所有这一切都是在计算机中完成的。对于空间导航和制导而言，计算量和复杂性都很大，需要具有巨大存储能力的相当规模的数字计算机才能满足要求。因此，近年来在设计与制造航天用的小型计算机方面所取得的进展是令人鼓舞的。,载人飞行系统与其他飞行系统使用的计算机没有本质的区别，同样是由运算器、存储器、控制器、输入及输出装置等五大部分组成。但是人的存在使得置换有故障的关键部件成为可能，因而提高了整个系统的可靠性。以“阿波罗”飞船为例，它要求高标准的可靠性，因此采用完全重复性设计的计算机，并具有指示灯、指令自检能力以及输出合理性等提供检查故障与开关计算机的手段，加上计算机由许多可置换的组合件组成，这进一步给飞行中进行维修带来了方便。,9.2.2飞船的导航与制导方法在载人飞船的空间飞行计划中，最终的飞行目的是通过一系列中间飞行逐步达到的。导航与制导系统的两个基本任务是保持对飞船位置与速度的精确了解，以及对过程中需要的改变提供控制指令。本节并不对解决导航与制导问题的现有方法作全面的评述，而只是介绍适用于飞船的一两种简明的方法。1导航的计算方法确定飞船位置与速度的工作通常指的是导航，很自然地分为两个部分惯性飞行与加速飞行。飞船在惯性飞行延伸期间的方位预测同天文学家预测月球与行星位置的问题相类似。它是通过适当利用方便的物理量来,测量来实现的。例如：已建立的参考点的距离、速度、仰角与方位角；已知天体视线间的角；行星表观直径。当敏感器接近数据源时，导航测量会更精确，因此飞船上与地面上的仪器可起互相补充的作用。长距离预测能力的提高受几个因素影响。首先是解运动方程的数学方法，除非采用精确的计算技术，否则数值误差就会传播，并使解很快恶化；其次，位置与速度的预测精度取决于我们对太阳系物理特性的知识；最后，也是最重要的一点，就是初始条件的精度。为了确保精确的初始条件，就必须利用光学或雷达测量数据对飞船位置与速度的估值进行周期性地修正。,2制导的方法提供控制指令的工作通常称为制导，可自然地分为两种类型较大的与较小的机动。发射到中间轨道，转移到月球或行星轨道，轨道进入与着陆等都属于较大机动的例子。它们明显地不同于以中间过程速度修正为代表的较小轨道变化。在每一种情况下，制导问题总是一个受到诸如燃料消耗、飞船机动性及时间等条件限制的边值问题。在较大推力情况下，制导问题的解要求在飞行中临界时间内执行相对复杂的计算，圆锥曲线轨道可以用来方便地解决许多制导问题。许多较大的轨道转移机动在概念上可以通过一个单一的推进速度变化来完成。对于这些情况，根据圆锥曲线轨道可确定一个瞬时的应增速,度矢量，并且控制飞船使这个矢量为零。参照图9.9，对应于目前飞船位置的矢量定义为满足一系列预定飞行目的的期望瞬时速度，为目前飞船的速度，那么，与之间的速度差就是瞬时应增速度。,两种简单的制导法则将保证的所有3个分量同时趋于零。(1)可以将飞船定向，使推力加速度矢量与的方向对准；(2)因为能够导出一个对的时间变化率(即)的方便表达式，所以可以定向使得平行于并且方向相反。假设不是足够大，要对准与似乎是不可能的，然而使用燃烧时间相对短的典型的化学火箭是不会遇到困难的。这两种方法的组合导致一种高效率的控制法则。从经验上来选择标量混合参数使得机动时极大地节省燃料，对于特殊的飞行阶段一个常数值通常是足够的；然而，如果需要的话，可以允许它作为某些系统变,变量的函数而变化。一个功能图表示在图9.10中，该图说明了对于控制目的所要求的误差信号的计算方法。位置、速度及重力矢量的计算如前面导航部分所述。飞行目的所要求的推进速度作为位置矢量的函数来确定，并用来计算应增速度。利用前一个采样时间储存的值，由期望速度矢量的数值微分法和加速度计实际输出可求出加速度误差信号。当适当地改变比例时，系统输出是一个矢量速率指令，其大小正比实际加速度矢量与指令推力加速度矢量之间的差，而其方向确定了使这个误差为零所要求的飞船旋转方向。当应增速度很小时，接近最后机动并终止矢量积控制，飞船保持一个不变的姿态而根据矢量大小关闭发动机。,9.2.3飞船的稳定与控制稳定与控制系统最基本的要求是在一定的飞行时间内提供飞船绕3个主轴的姿态控制。然而，由于载人飞船计划的飞行任务非常特殊，要建立一个适用于所有情况的一般要求与性能准则是不可能的。例如，对“水星”飞船最大的姿态机动速率高达12s，以便提供高机动性及应急情况下的快速反应；“阿波罗”飞船最大的姿态机动速率低于“水星”飞船的120，并且主要是为了满足导航对准之间的机动要求。“阿波罗”飞船具有很大的惯性，如采取“水星”飞船的速率，则反作用控制系统的燃料消耗将是巨大的。所以，必须详细研究每次飞行任务与飞船设计的特殊要求，然后提供相应的稳定与控制的措施。,1稳定与控制系统已用于载人飞船姿态稳定与控制的系统主要有以下几种。(1)手动一比例系统：手动一比例系统由一个利用机械连动装置与节流阀相连接的三轴手动控制器组成。通过这些阀供给燃料以产生推力，因而航天器的角加速度本质上是与操纵手柄偏转角成比例的，如图9.11所示。这个系统已经用于轨道飞行任务的所有阶段，并且仅依靠单纯目视(无速率与姿态信息)为成功再入已经提供了足够的控制精度。,手动-比例系统的明显优点是完全与电源无关，而且航天员操纵比例的控制力矩具有抵消连续的干扰力矩的能力。实际上这种系统有若干缺点，复杂的连动装置大大地增加了重量，并且引起在提供相应的操纵手柄“感觉特性方面的困难；同时，由于对飞船上其他的系统，例如主发动机与制动火箭点火，电源是必不可少的，因而提供完全的机械系统并未得到实际的好处；加上各种阀对燃料中的杂质较为敏感，而导致刻痕与凝固，所以必须给阀引入一个重要的死区非线性特性以便简化过滤；此外，由于非线性的引入，加之干扰力矩迅速变化，使得手动一比例系统往往工作在开关方式而不是比例方式。,(2)电传操纵与最小冲量系统：利用电的方法直接控制反作用发动机经常称之为应急控制。这里提出的专门术语“电传操纵是作为一个系统，这种系统提供了操纵飞船的灵活方法。这种系统正常的机械操纵是利用三轴手动控制器的操纵手柄偏转到某些角度来操纵微动开关，以便把飞船电源的电流直接引入反作用发动机的电磁阀。如图9.12所示，在具有两级推力(如“水星”飞船的4.54N与108.9N)的反作用控制系统的情况下，譬如说，低推力可以在操纵手柄偏转到30时工作，而高推力在操纵手柄偏转到90时工作。利用手动控制器产生脉冲来获得速度增量，而不是与正常的手柄偏转角有关的连续加速度，从而可以实现一个准确程度的控制。,(3)速率稳定与控制系统：如前面讨论的系统那样，虽然指令输入是通过手动控制器产生的，但是速率稳定与控制系统(或速率指令系统)可提供自动阻尼的能力，因此它属于半自动系统，如图9.13所示。,装在飞船体轴上的角速率敏感器的输出与来自手动控制器的比例输出相加来操作一个控制反作用控制系统开关阀的开关放大器。这种速率指令系统的主要优点是具有自动限制机动速率的能力。当燃料消耗与角速率成比例时，对于像“阿波罗”这样很大惯性的飞船，必须限制机动速率小于1s。若单纯使用手动系统就要求航天员不断集中注意力，以防止过大的机动速率和由此产生的高燃料消耗。(4)自动稳定与控制系统：姿态控制系统的两个基本操作功能是感测与致动。一般的主动姿态控制系统是由敏感器、中间控制线路和执行机构，经过飞船本体闭环而成的。一个自动稳定与控制系统最基本的方块图如图9.14所示。,2稳定与控制系统设计载人飞船稳定与控制系统设计的一般准则是：最小重量；最小功耗；最小推进剂消耗；最小体积；高可靠性。为了获得载人飞船稳定与控制系统的要求与设计原理方面的初步认识，首先讨论“水星”系统，然后简略地说明“阿波罗”系统的一些主要要求。,在可靠性方面，为了提高载人飞船稳定与控制系统的可靠性，人们在“水星”，“双子星座”和“阿波罗”等各代载人飞船的航天实践中逐渐建立起了下列各项可靠性设计准则：(1)一旦自动系统失灵，航天员必须具有安全结束飞行的能力；(2)只要可能，部件就设计成“故障保险”；(3)非安全部件损坏产生的严重影响，必须能由航天员来消除；(4)只要可能，就采用重复技术。这些准则在实际飞船的稳定和控制系统设计中产生了重大影响，并且在航天飞行过程中发挥了作用。,航天飞行任务结束时，要求载人飞船将航天员安全地送回地球表面。载人飞船是以相当高的速度绕地球飞行(大约等于第一宇宙速度)或以更高的速度(超过第一宇宙速率)接近地球。为了使飞船降落在地面上，必须减低它的飞行速度。载人飞船载人过载要小于10g，因此再人角要限制在13的范围内，这依赖于姿态稳定与控制系统的有效工作。,9.3载人飞船的再入返回控制,为了达到这一目的，“水星”载人飞船姿态控制系统再入返回过程中正常控制程序和性能要求可以概括如下：(1)阻尼飞船与运载火箭分离时产生的飞船姿态角速率；(2)提供一个180偏航机动并达到一个零滚动与-34俯仰的姿态。在这种姿态下，制动火箭被适当对准以便于制动，而雷达信标的发射不受到损害；(3)在制动火箭点火之前，保持姿态在10精度内；(4)在制动火箭点火时，保持姿态在5精度内；(5)达到一个俯仰1.5的再入姿态，然后保持这个姿态直到经受到O.05g负加速度时为止；(6)提供10s再入滚动速率以便减少落点散布，并且在再人时限制俯仰与偏航速率振荡于2s。,图9.16所示表明对一个典型情况，落点散布与制动点火时飞船姿态之间的关系，并且指出要保持较低的落点散布，控制系统精度的重要性。,图9.16飞船制动点火姿态对着陆点的影响,显然，可靠地保持制动火箭点火时的飞船姿态精度对于飞船成功再入返回而言是至关重要的。为了保证在各种情况下均能实现这一点，提高可靠性，要求一旦载人飞船的自动姿态控制系统失效，航天员必须具有安全结束飞行的能力。这一要求由以下措施来保证：(1)通过舷窗与潜望镜的目视观察，提供制动点火的另外的姿态参考；(2)通过独立于自动系统的速率陀螺，提供控制制动点火时的速率信息；(3)通过一套完全备份的反作用控制系统，提供反作用控制力矩来抵消制动火箭产生的干扰与再人时的气动干扰，而且控制力矩应当具有较大的设计余量。,利用地球大气层的空气阻力减速，尚不能使飞船达到安全着陆的速度。因此，在飞船下降的最后阶段，还必须考虑一种专门的系统来达到此目的，这就是飞船着陆系统的任务。着陆系统是飞船的主要系统之一，它关系到飞船及航天员是否能安全返回地面的问题。选择载人飞船的着陆系统，主要是取决于可靠性及航天员的安全性