8-宇宙飞行器

第八章航天飞行器,8.1宇宙航行的基本原理,8.2人造地球卫星,8.0概述,8.3载人飞船,8.4航天飞机,概述,1957年10月04日前苏联多级火箭-第一颗人造地球卫星，打开了人类进入宇宙的大门。几十年来，人类不仅成功地发射了种类众多的人造地球卫星，而且成功地登上了月球，同时还发射了许多探测地球周围行星的探测器。人类已进入了宇宙航行的时代。,概述,概述,19年月日加加林-“东方”号宇宙飞船最大高度为公里的轨道上绕地球一周，历时小时分钟，于上午时分降落在苏联境内，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。,概述,概述,1971年4月前苏联世界上第一个试验性载人空间站“礼炮”1号空间站。这标志着人类的航天活动从规模小、飞行时间短的载人飞船进入到规模较大、飞行时间较长的空间应用探索与试验阶段。,概述,1981年4月12日美国第一架实用航天飞机哥伦比亚号从卡纳维拉尔角起飞，历时54.5小时，绕地球36圈后安全返回。,概述,美国“勇气号”火星探测器2004年1月4日胜利登陆火星,概述,1970年4月24日中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”从酒泉卫星发射中心升空，向全世界宣布中国已进入宇宙空间。,概述,1975年11月26日，我国首颗返回式卫星发射成功。,概述,1984年4月8日，“长征三号”运载火箭将第一颗同步通信卫星送人地球静止轨道集中体现了我国现代火箭技术的最新成就。,概述,1999年11月20日6时30分“神舟”号飞船，在酒泉卫星发射中心用新型长征运载火箭发射升空。,概述,2003年10月15日9时整，神舟五号载人飞船发射成功，将中国第一名航天员送上太空。,8.1宇宙航行的基本原理,一宇宙速度,二多级火箭,三火箭发射,四火箭发动机器,一.宇宙速度,要作宇宙航行，首先要了解宇宙天体的运动规律。十七世纪德国天文学家开普勒Kepler提出了行星运动的三大定律。,行星运动三定律,1.所有行星的运动轨道为椭园，太阳位于椭园的一个焦点上。,2.行星的速度是变的，行星中心与太阳中心连线叫向径，同一时间内向径扫过的面积相等。,3.行星绕太阳一周的时间叫周期，它与椭园轨道的半长轴的二分之三次方成正比。,O,牛顿Newton导出万有引力定律。他认为天体的运动是由于天体间存在引力。引力作用下的天体都在按一定的速度和轨道运行。运行轨道是一个截圆锥曲线，即圆、椭圆、抛物线和双曲线。,一.宇宙速度,3.逃逸速度,2.脱离速度,1.环绕速度,要使物体飞离地球象天体那样作轨道飞行，首先需要获得一定的速度。,一.宇宙速度,1.环绕速度,环绕速度是指人造天体在地球的某一高度上围绕地球进行圆周运动所需要的最小速度，也称为第一宇宙速度。,地球不同高度上的第一宇宙速度不相同。,第一宇宙速度,从地球上发射人造地球卫星所必需的最小速度。,物体离开地球的条件。,M:卫星质量R:卫星离地心高度:第一宇宙速度,由,R高度处地心加速度,，得,代入地球表面数据，则：,2.脱离速度,脱离速度是指人造天体在地球的某一高度上摆脱地球引力，进入太阳系，成为太阳系人造行星所需要的最小速度，也称为第二宇宙速度。,地球不同高度上的第二宇宙速度。,脱离速度可根据脱离地球必需做的功来计算。物体要飞出地球，必须克服地心引力，具有巨大的速度和动能。这一动能必须与物体所在高度处具有的位能相等。,在地球表面处，,当发射速度等于时，轨道为抛物线。,当速度大于时，轨道不再是抛物线，而是双曲线。,即,第二宇宙速度,3.逃逸速度,逃逸速度是指人造天体在地球的某一高度上摆脱太阳的引力，飞出太阳系，成为恒星际航天器所需要的最小速度，也称为第三宇宙速度。,地面高度上的第三宇宙速度为：,二.多级火箭,要飞向宇宙，就要有宇宙速度，这个巨大的速度只有靠多级火箭才能达到。,火箭携带大量的推进剂，燃烧时，火箭的质量迅速变化，因此必须按照变质量物体来计算其运动规律，即按照著名的齐奥尔柯夫斯基公式进行计算。,单级火箭的理想速度,当不考虑重力和气动力作用时，单级火箭的理想速度是：,M0:起飞质量,Mf:关车质量,u:排气速度,Z:质量比,其中，,多级火箭的理想速度,多级火箭的理想速度是：,三.火箭发射,多级火箭垂直发射优点以尽可能短的时间和距离穿过稠密大气层，减小空气阻力，而且垂直安放比较方便。,四火箭发动机,一液体火箭发动机,双组元液体火箭发动机的推进剂包括燃烧剂和氧化剂；工作时，专门的输送系统分别将它们送进燃烧室。所以液体火箭发动机包括推进剂输送系统、流量调节控制活门、推力室、冷却系统和固定零部件的发动机架。,二固体火箭发动机,固体火箭发动机的主要特征之一是推进剂直接充填在燃烧室内；推进剂燃烧产生能量，同时燃烧产物又作为工质经喷管排出产生推力。,8.2人造地球卫星,一人造卫星的轨道,二人造卫星的组成,三人造卫星的应用,四人造卫星的回收,一.人造卫星的轨道,由于发射人造卫星的速度、高度、及相对地球的角度不同，会有各种大小、形状不一的轨道。因此，要用一些参数来确定它们的空间位置，一般采用3个参数轨道的倾角、轨道的半长轴、轨道的偏心率等。,轨道倾角,卫星运行轨道平面与赤道平面所交的角叫做轨道倾角。,椭圆轨道的半长轴,椭圆轨道的半长轴等于近地点和远地点连线距离的一半。,轨道的偏心率,椭圆轨道的偏心率即椭圆两个焦点之间距离的一半与半长轴的比值。,二.人造卫星的组成,卫星有不同的任务，便有不同的构造，但它总是由下列几个主要部分组成的。,6.仪器舱。,5.温度控制系统；,4.姿态控制系统；,3.通讯装置及天线；,2.电源系统；,1.卫星的本体；,三.人造卫星的应用,3.能不受限制地飞越地球全部地区的上空。,2.活动范围大，高度在几百至几万公里间；,1.无需动力就能在大气层外长时间运转；,卫星与其它飞行器相比有以下特点：,因此，卫星能在很短时间内从一定高度上对广大地区或空间进行探测，卫星的用途愈来愈广，它能用作科学研究，又能为国民经济服务，还能为军事服务。如：科学探测卫星、技术试验卫星、通信卫星、气象卫星、资源卫星、侦察卫星、预警卫星等。,通信卫星,通信卫星，是用于进行无线电通信中继的卫星。它将来自某一地面站的无线电信号转发到其它地面站。通信卫星一般都运行在35860公里高的地球同步轨道上。,（中）东方红三号通信卫星,气象卫星,气象卫星是对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星。它能大范围、及时迅速、连续完整地收集和观察地球上瞬息万变的天气现象和状态，并把云图等气象信息发给地面用户。,风云一号气象卫星,资源卫星,资源卫星，是用于勘测和研究地球自然资源的卫星。它能通过各种遥感设备，对地表或地表以下一定深度的状况进行探测，诸如地形地貌测绘、历史古迹考证、地层结构探察、农作物能普查、自然灾害预报以及森林、海洋、空气等等的探查。,中巴资源卫星,侦察卫星,侦察卫星利用光电遥感或无线电设备，搜集来自地面目标的辐射、反射或发射的电磁波信息，用胶卷或磁带记录下来后存贮在卫星返回舱里，待卫星返回地面时回收。或者通过无线电传输的方法，随时或在某个适当的时候传输给地面接收站，经光学或计算机设备的处理后使用。,（美）第四代“大鸟”侦察卫星,预警卫星,利用星上的红外探测仪，探测导弹飞行时发动机尾焰的红外辐射，配合电视摄像机及时准确地判断敌方导弹方向，迅速报警，使地面防空部队准备拦击导弹，城市居民紧急疏散隐蔽。,（美）NMD计划预警卫星,科学探测卫星,科学探测卫星的出现，改变了人类坐地观地和坐地观天的传统。它携带着各种科学探测仪器，能够置身于大气层外、不受干扰地获取大气层、空间环境和宇宙天体的各种信息资料。,（中）实践二号卫星,技术试验卫星,航天器上采用的各种技术在通过地面试验后，一般还需要在实际使用环境中加以验证。在发射每一种应用卫星之初，都需要发射若干技术试验卫星。例如，美国的返回式卫星技术是通过发射了12颗技术试验卫星后才发展起来的。,（中）实践一号卫星,四.人造卫星的回收,卫星回收的主要问题在于具有约20M速度的卫星进入稠密大气层时，将遇到几千度的高温。这要求在飞行器的外形、耐热材料、冷却方法和返回的轨迹中采取适当措施来解决。,一般有热沉法和烧蚀法两种方法。,此外还要解决好卫星脱离轨道、开伞及搜索回收问题。,热沉法,将卫星头部用较厚的比热高、导热性能好、熔点高的金属制成，并将表面抛光。其重量达几百公斤，形状是一个钝头体，目的是形成激波使其减速。所产生的高温由金属吸收并传到结构中去。表面抛光可以辐射掉一部分热量，使卫星能安全地穿过大气层。,烧蚀法,也叫消溶法，它是将卫星表面用高温下易熔化蒸发的高分子化合物制成，如玻璃钢。,8.3载人飞船地球轨道飞行器,一.载人飞船,载人飞船是载人在外层空间生活，工作以执行预定的航天任务并返回地面的航天器。由轨道舱、服务舱、对接舱、应急舱和乘员返回舱等几部分组成。,1961年04月12日，前苏联发射第一艘载人飞船东方号，由第一个宇航员加加林绕地球一圈后返回。,“阿波罗”号飞船载人登月,“阿波罗”号飞船载人登月,“阿波罗”号飞船载人登月,中国“神舟”载人飞船,“神舟”飞船,我国的载人航天工程由七大部分组成：航天员系统，飞船应用系统，载人飞船系统，运载火箭系统，发射场系统，测控通信系统，着陆场系统。,我国“神舟”飞船,我国的“神舟”系列宇宙飞船，采用三舱式结构。由轨道舱(工作舱)、返回舱(又称座舱)、推进舱(仪器舱)和一个过渡段组成。其中载人的轨道舱、返回舱可谓“一室一厅”。“一室”即返回舱是航天员在发射、返回和驾驶飞船时待的地方，“一厅”即轨道舱则是航天员工作和休息的场所。,我国“神舟”飞船,返回舱,推进舱,轨道舱,神舟号飞船,“神舟三号”返回舱,“神舟四号”返回舱,首次载人航天飞行“神舟五号”,杨利伟,神五升空,中国神舟6号飞船2005年10月12日,神州六号发射与航天员,费俊龙,聂海胜,“神舟六号”返回舱,中国神州7号飞船2008年9月28日,中国酒泉卫星发射基地,8.4空间站,空间站又称航天站，实际上是巨大的载人飞船，是供多名航天员巡访、长期工作的地方，一般设有工作舱、服务舱、对接舱，并有巨大的太阳能电池板。空间站上进行的科学研究及实验主要是长期失重的影响和失重下的一些科学实验。美国有天空实验室，前苏联有礼炮号空间站、和平号空间站。,天空实验室,天空实验室是美国在1973年05月14日发射成功的空间站，在435公里高的近圆空间轨道上运行。天空实验室全长36米，最大直径6.7米，总重77.5吨，由轨道舱，过渡舱和对接舱组成，可提供360立方米的工作场所。,礼炮号空间站,1971年04月19日，前苏联发射了第一座空间站礼炮1号，从此载人太空飞行进入一个新的阶段。礼炮1号空间站由轨道舱、服务舱和对接舱组成，呈不规则的圆柱形，总长约12.5米，最大直径4米，总重约18.5吨。,和平号空间站,前苏联于1986年02月20日发射入轨的和平号空间站是一阶梯形圆柱体，全长为13.13米，最大直径4.2米，重21吨，由,工作舱、过渡舱、非密封舱三个部分组成，共有六个对接口。和平号作为一个基本舱，可与载人飞船、货运飞船、四个专用舱组成一个大型的轨道联合体，从而扩大了它的科学实验范围。,8.5航天飞机,1、航天飞机的作用：航天飞机是可以重复使用的，往返于地球表面和近地轨道之间运送有效载荷的航天运载器，又是可以进入近地轨道完成多种任务的航天器。,可以将各种卫星直接送入近地轨道；也可以先送上近地轨道，然后从这个轨道发射进入高轨道。,航天飞机,航天飞机,2、轨道器航天飞机进入近地轨道的部分3、航天飞机的组成轨道器、外挂储箱、两个固体助推器。轨道器上装有多台主发动机，其推进剂由外挂储箱供给。,三.航天飞机,4、航天飞机的工作过程垂直发射、水平着陆、两级入轨、部分回收、多用途、全火箭式航天器。1）、垂直发射时，主发动机和助推器一起工作，主发动机靠外挂储箱提供燃料；2）、高度50公里，速度1391m/s时，助推器熄火分离，靠降落伞在海面回收利用；,4、航天飞机的工作过程3）、高度100公里，达到入轨速度时，主发动机关机，外挂储箱与轨道器分离，外挂储箱再入大气层焚毁；4）、主发动机再次点火入轨：高度185-390公里，倾角28.5度的圆轨道；5）、轨道运行3-30天；6）、再入大气层，着陆，大迎角30-40度，无动力滑翔着陆。,哥伦比亚号航天飞机,1981年04月12日，第一架航天飞机哥伦比亚号发射。这架航天飞机总长约56米，翼展约24米，起飞重量约2040吨，起飞总推力达2800