哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第8课-载人飞船技术

1、空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 一、一、 载人飞船的结构组成载人飞船的结构组成 二、二、 载人飞船的制导与控制载人飞船的制导与控制 三、三、 载人飞船的再入返回控制载人飞船的再入返回控制 四、空间站四、空间站 第八课_载人航天技术 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 载人航天是现代科学技术发展的一个显著标载人航天是现代科学技术发展的一个显著标 志。志。 自自19611961年年4 4月世界上月世界上第一艘载人飞船第一艘载人飞船“东东 方号方号”上天以来上天以来, ,已有已有4040年

2、的历史了。在此期间年的历史了。在此期间, , 世界各国为发展载人航天技术世界各国为发展载人航天技术, ,投入了巨大的人投入了巨大的人 力和物力力和物力, ,实施了一个又一个载人航天计划。发实施了一个又一个载人航天计划。发 展载人航天技术展载人航天技术, ,有着重要的经济、科学与军事有着重要的经济、科学与军事 上的需要。上的需要。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 载人航天器有载人航天器有载人飞船载人飞船、航天飞机航天飞机和和空间站空间站 等三类。等三类。 从从19611961年起到现在年起到现在, ,前苏联已经发射了前苏联已经发射了“东东

3、 方号方号”、“上升号上升号”、“联盟号联盟号”3 3种载人飞船种载人飞船 , ,7 7个个“礼炮号礼炮号” 空间站和空间站和1 1个个“和平号和平号”空间站空间站 。 与此同时与此同时, ,美国发射了美国发射了“水星水星”、“双子星双子星 座座”、“阿波罗阿波罗”3种载人飞船和种载人飞船和1个个“天空实验天空实验 室室”空间站空间站。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 目前目前, ,美国、俄罗斯、西欧、日本等还正在美国、俄罗斯、西欧、日本等还正在 联合组建巨大的永久性载人航天器联合组建巨大的永久性载人航天器“国际空间站国际空间站 ”。

4、1999 1999年年1111月至今月至今, ,我国的我国的“神舟号神舟号”试验飞试验飞 船也已经多次发射成功。船也已经多次发射成功。 19811981年年4 4月月, ,美国发射成功可重复使用的航美国发射成功可重复使用的航 天飞机。前苏联于天飞机。前苏联于19881988年年1111月也发射了类似美国月也发射了类似美国 航天飞机的无人航天飞机航天飞机的无人航天飞机“暴风雪号暴风雪号”。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 载人飞船载人飞船是一种载是一种载 人的小型航天器人的小型航天器, ,它的它的 构造要比人造卫星的构构造要比人造卫星的构

5、 造复杂得多。载人飞船造复杂得多。载人飞船 除了具有类似人造卫星除了具有类似人造卫星 的结构系统、姿态控制的结构系统、姿态控制 等设备之外等设备之外, ,为了保证为了保证 航天员在飞行过程中正航天员在飞行过程中正 常的生活和工作常的生活和工作, ,还有还有 许多特殊的设施。许多特殊的设施。 一一 、载人飞船的结构组成、载人飞船的结构组成 联盟号载人飞船联盟号载人飞船 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 如飞船的如飞船的座舱座舱要很好的密封要很好的密封,使座舱里保持使座舱里保持 足够的足够的氧气氧气、一定的、一定的压力压力和适当的和适当的温度

6、温度,还要为还要为 航天员准备足够的航天员准备足够的水和食物水和食物等。等。 总之总之,航天器上载人将从根本上改变它的外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形、结构特性设计和制作的方法,这是因为必须这是因为必须 保障人在航天飞行条件下生活和工作所需的一保障人在航天飞行条件下生活和工作所需的一 切。切。 阿波罗载人飞船阿波罗载人飞船 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 载人飞船的特点载人飞船的特点: 返回地球返回地球 乘员的生活及活动条件乘员的生活及活动条件 飞行安全飞行安全 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与

7、控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 （1 1）返回地球的特点返回地球的特点 返回地球是每个载人飞船所必须完成的程序返回地球是每个载人飞船所必须完成的程序 。在完成轨道飞行任务后。在完成轨道飞行任务后, ,为完成返回地球的程为完成返回地球的程 序序, ,必须对飞船实施必须对飞船实施制动制动使其进入返回轨道。使其进入返回轨道。 对于远距离的飞行必须修正返回轨道对于远距离的飞行必须修正返回轨道, ,这就这就 要求飞船具有要求飞船具有改变轨道的动力装置改变轨道的动力装置及一系列其他及一系列其他 系统系统, ,例如例如姿态控制姿态控制和和运动控制系统运动控制系统, ,它的它的执行机执行机

8、构系统构系统、供电系统供电系统等。等。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 载人飞船返回地球时必须有载人飞船返回地球时必须有气动加热防护系气动加热防护系 统统和和着陆系统着陆系统。 一般返回和乘员的着陆由专门的舱段来完成一般返回和乘员的着陆由专门的舱段来完成 再入舱再入舱, ,也称为也称为返回舱或着陆舱返回舱或着陆舱。它本身应。它本身应 具有达到稳定与控制所要求的气动特性的外形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。精

9、确性以及乘员所能承受的过载。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 飞船飞船再入舱再入舱的外形很简单的外形很简单, ,都是无翼的大钝都是无翼的大钝 头体。例如头体。例如, ,前苏联的前苏联的“东方号东方号”飞船飞船, ,它的再入它的再入 舱是球形舱是球形; ;美国的美国的“水星号水星号”飞船飞船, ,其再入舱形状其再入舱形状 为钟形。这种大钝头的无翼式再入舱外形结构简为钟形。这种大钝头的无翼式再入舱外形结构简 单单, ,工程上易于实现。工程上易于实现。 当飞船再入大气层时当飞船再入大气层时, ,距地面距地面40km40km左右的高左右的高 空

10、就急剧减速空就急剧减速, ,造成的峰值减加速度为造成的峰值减加速度为8g8g左右。左右。 这样的减加速度这样的减加速度, ,对经选拔和训练的航天员来说对经选拔和训练的航天员来说 是可以承受的。是可以承受的。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 假如飞船的再入舱不是大钝头假如飞船的再入舱不是大钝头, ,而像某些返而像某些返 回式卫星以小头向前再入大气层回式卫星以小头向前再入大气层, ,则其再入峰值则其再入峰值 减加速度将达到减加速度将达到18g18g, ,航天员就会死亡。航天员就会死亡。 所以所以, ,无翼式大钝头的再入舱外形无翼式大钝头的再

11、入舱外形, ,是早期载是早期载 人飞船的理想外形。人飞船的理想外形。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 神州五号载人宇宙飞船返回舱神州五号载人宇宙飞船返回舱 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 （2 2）保证乘员生活及活动条件的特点保证乘员生活及活动条件的特点 乘员的生活条件只能在宇宙空间的乘员的生活条件只能在宇宙空间的密封舱密封舱中中 得以保证得以保证, ,为此每个载人飞船均有自己的密封舱为此每个载人飞船均有自己的密封舱, , 其中的其中的大气条件大气条件应能满足呼吸的需要并经常地更

12、应能满足呼吸的需要并经常地更 新。最好的大气压力及气体成分是相应于地球海新。最好的大气压力及气体成分是相应于地球海 平面处的自然大气压力及气体成分。平面处的自然大气压力及气体成分。 在飞船在飞船“联盟号联盟号”、“联盟联盟TMTM”和空间站和空间站“ 礼炮号礼炮号”中均保持了这个条件中均保持了这个条件, ,在在“阿波罗阿波罗”飞飞 船中采用了降压的纯氧大气。船中采用了降压的纯氧大气。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 座舱的体积和尺寸座舱的体积和尺寸应能使人在其中完成习惯应能使人在其中完成习惯 的动作的动作( (例如全身的伸展例如全身的伸

13、展) )和相应的飞行任务。和相应的飞行任务。 第一代飞船第一代飞船“东方号东方号”、“水星水星”、“上升上升 号号”和和“双子星座双子星座”由于有减轻质量的严格要求由于有减轻质量的严格要求 , ,所以它们的座舱很狭窄所以它们的座舱很狭窄, ,而而“联盟号联盟号”及及“阿波阿波 罗罗”的座舱就宽大得多。的座舱就宽大得多。 在座舱中应能保持正常的在座舱中应能保持正常的温度条件温度条件, ,因此座因此座 舱也必须有温控系统。舱也必须有温控系统。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 人的生活与饮食、自然需要的排出、个人的人的生活与饮食、自然需要的排

14、出、个人的 卫生和睡眠紧密联系着卫生和睡眠紧密联系着, ,这就决定了在飞船上必这就决定了在飞船上必 须有足够的食物、水、卫生保障、不同物品的收须有足够的食物、水、卫生保障、不同物品的收 集器、卫生设备集器、卫生设备, ,以及为睡眠用的一切设备。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。闭的体积中和失重的条件下。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 与控制飞船有关的乘员活动以及完成手控飞与控制飞船有关的乘员活动以及完成手控飞 船的动作将影响飞船的结构和飞船

15、上的系统。船的动作将影响飞船的结构和飞船上的系统。 在在座舱结构设计座舱结构设计中中, ,首先要考虑到航天员首先要考虑到航天员进进 出方便出方便, ,还要有还要有逃逸口逃逸口。 控制载人飞船飞行要有乘员的控制载人飞船飞行要有乘员的工作位置工作位置。该。该 位置应合理地安排并能观察到飞船外部的状况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获得飞船各系统工作信息, ,进行与地球及其他载进行与地球及其他载 人飞船的联系。人飞船的联系。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 飞船的座舱应设有视野开阔的飞船的座舱应设有视野开

16、阔的舷窗舷窗, ,航天员航天员 通过舷窗可观察发射前的准备活动通过舷窗可观察发射前的准备活动, ,轨道飞行中轨道飞行中 交会对接情况交会对接情况, ,返回点火时的姿态控制与机动和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。再入着陆的地面情况等等。 “水星水星9 9号号”的航天员的航天员, ,在飞船自动控制系统在飞船自动控制系统 失灵的紧急情况下失灵的紧急情况下, ,就是通过舷窗观察地平线就是通过舷窗观察地平线, ,手手 控飞船姿态控飞船姿态, ,点燃返回发动机点燃返回发动机, ,再入大气层获得了再入大气层获得了 成功。成功。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课

17、_ _载人航天技术载人航天技术 在飞行过程中在飞行过程中, ,航天员将操作座舱内的大量航天员将操作座舱内的大量 船载设备单元进行工作船载设备单元进行工作, ,如生命保障系统的一些如生命保障系统的一些 设备、乘员装备、手动机构和科学仪表等。座舱设备、乘员装备、手动机构和科学仪表等。座舱 内柔和的内柔和的光线光线和明亮的和明亮的照度照度, ,使航天员可以清楚使航天员可以清楚 地分辨仪表的读数。地分辨仪表的读数。 座舱内除显示仪表外座舱内除显示仪表外, ,还有航天员操作的还有航天员操作的计计 算机键盘算机键盘和一些重要的和一些重要的开关与手柄开关与手柄。 其中关键的按钮开关如其中关键的按钮开关如“返

18、回火箭点火返回火箭点火”、 “舱段分离舱段分离”、“弹射弹射”、“开伞开伞”等开关必须等开关必须 用罩子盖起来用罩子盖起来, ,防止失误动作造成事故。防止失误动作造成事故。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 对于进行航天员交换的飞行对于进行航天员交换的飞行, ,飞船必须具有刚飞船必须具有刚 性的性的对接机构对接机构以及密封的以及密封的过渡通道过渡通道, ,对接机构上对接机构上 应有密封盖和监视对接密封系统。应有密封盖和监视对接密封系统。 考虑人出舱到开敞的宇宙空间的问题考虑人出舱到开敞的宇宙空间的问题, ,在飞船在飞船 上应备有上应备有宇

19、宙服宇宙服及其相应的服务系统及其相应的服务系统, ,而飞船本而飞船本 身应有身应有闸门舱闸门舱。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 美国美国“水星水星”号载人飞船号载人飞船 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 （3)3)飞行安全的特点飞行安全的特点 飞行安全在保证其高可靠性和制造载人飞船飞行安全在保证其高可靠性和制造载人飞船 时具有重要的作用。时具有重要的作用。 任何一种航天器在其研制的开始就应给出顺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利完成

20、任务的概率或是完成飞行计划的可靠性, , 尔后要做出证实尔后要做出证实. . 而对于载人飞船还应补加上而对于载人飞船还应补加上保证乘员安全的保证乘员安全的 概率概率或是或是飞行安全度飞行安全度。 这两个准则决定了相应的概率这两个准则决定了相应的概率, ,而一般地而一般地, ,第第 一个给出在一个给出在95959898的水平上的水平上, ,第二个在第二个在9999 以上。以上。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 所要求的安全度将影响飞船的外形、各个系所要求的安全度将影响飞船的外形、各个系 统的性能、火箭飞船整个系统及飞行图。除保证统的性能、

21、火箭飞船整个系统及飞行图。除保证 可靠性以外可靠性以外, ,还要组织系统的职能备份还要组织系统的职能备份, ,如自动工如自动工 作状况辅以手动操作作状况辅以手动操作, ,引入专门故障时的乘员救引入专门故障时的乘员救 生设备生设备, ,装配备份仪表和机件等。装配备份仪表和机件等。 实际上实际上, ,飞行安全飞行安全的特点融于飞船设计的各的特点融于飞船设计的各 个方面个方面, ,这是载人航天器提出的尤为突出的要求这是载人航天器提出的尤为突出的要求 和特点。和特点。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 下面以下面以“阿波罗阿波罗”载人飞船载人飞船

22、为例说明载人为例说明载人 飞船的构造特征。飞船的构造特征。 “阿波罗阿波罗”载人飞船是美国的第三代载人飞载人飞船是美国的第三代载人飞 船船,从从1968年到年到1972年期间进行了年期间进行了11次载人飞行次载人飞行, 其中其中6次登上月球。首次登月是在次登上月球。首次登月是在1969年年7月月20 日实现的。当时日实现的。当时,“阿波罗一阿波罗一11”把美国航天员阿把美国航天员阿 姆斯特朗和奥尔德林送上月球。姆斯特朗和奥尔德林送上月球。 载人飞船的构造特征载人飞船的构造特征 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 除救生塔系统和飞船与运载火箭

23、过渡舱除救生塔系统和飞船与运载火箭过渡舱 外外, ,“阿波罗阿波罗”飞船主要由三部分组成飞船主要由三部分组成, ,即指挥舱、即指挥舱、 服务舱及登月舱服务舱及登月舱, ,总质量约为总质量约为45t45t。 美国美国“阿波罗阿波罗”载人飞船载人飞船 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 “阿波罗阿波罗”飞船飞船 1逃逸塔逃逸塔;2指挥仓指挥仓;3服务仓服务仓;4登月仓登月仓 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 指挥舱指挥舱是飞船的控制中心是飞船的控制中心,也是整个飞行任也是整个飞行任 务中三

24、名航天员生活和工作的主要舱段务中三名航天员生活和工作的主要舱段,同时也同时也 是飞船中惟一要是飞船中惟一要返回地面返回地面的部分。的部分。 指挥舱的形状为一个圆锥体指挥舱的形状为一个圆锥体,高为高为3.53m,底底 部直径为部直径为3.93m,质量约质量约6t。舱内装有环境控制系。舱内装有环境控制系 统、姿态控制系统和无线电通信报话等设备。舱统、姿态控制系统和无线电通信报话等设备。舱 的中央并排着指令长的中央并排着指令长(相当于船长相当于船长)、驾驶员和飞、驾驶员和飞 行工程师等三名航天员的座椅。行工程师等三名航天员的座椅。 飞船发射和返回地面的时候飞船发射和返回地面的时候,三名航天员躺三名航

25、天员躺 在椅子上在椅子上,其余时间航天员可以离座活动。其余时间航天员可以离座活动。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 在指挥舱的在指挥舱的侧面侧面有一个航天员出入的舱口有一个航天员出入的舱口, 在其在其后部后部还有一个通往登月舱的连接隧道舱口。还有一个通往登月舱的连接隧道舱口。 此外还有此外还有两个侧舷窗两个侧舷窗供航天员摄影和观察用供航天员摄影和观察用, 两个交会舷窗供交会机动与对接时进行观察与普两个交会舷窗供交会机动与对接时进行观察与普 通观察用。通观察用。 指挥舱是一个指挥舱是一个双壁结构双壁结构,里层是铝蜂窝结构里层是铝蜂窝结构

26、的压力舱的压力舱,铝蜂窝外表面通过隔热层与不锈钢蜂铝蜂窝外表面通过隔热层与不锈钢蜂 窝结构相连结窝结构相连结,不锈钢蜂窝结构外表面覆盖有烧不锈钢蜂窝结构外表面覆盖有烧 蚀防热层。蚀防热层。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 服务舱服务舱是飞船的是飞船的后勤供应部分后勤供应部分,呈圆柱体形。呈圆柱体形。 它高约它高约7.6m,直径为直径为3.93m,质量约质量约2429t,连接连接 在指挥舱后面。在指挥舱后面。 服务舱结构基本上是由服务舱结构基本上是由6条化铣铝制梁分开条化铣铝制梁分开 的两个上下隔框组成的两个上下隔框组成,中央是一条通道中

27、央是一条通道,周围放置周围放置 各种有关系统、设备及容器。各种有关系统、设备及容器。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 服务舱还装有推力约100kN的可多次启 动的飞船主发动机,它一直到返回地球,再入大 气层时才抛掉,在地球大气层中烧毁。 服务舱的外壳装有电源系统及环境控制 系统的辐射器以及反作用控制系统的火箭喷 嘴等。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 登月仓在月球登月仓在月球 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 登月舱登月舱质

28、量为质量为 14t,高高6m多。登月多。登月 舱由舱由“下降段下降段”和和 “上升段上升段”组成。组成。 下降段下降段里有下降发里有下降发 动机和四条着陆架动机和四条着陆架, 它能够把两名航天它能够把两名航天 员送到月球上。员送到月球上。 上升段上升段里有环境控里有环境控 制系统、通信和电制系统、通信和电 源设备。源设备。 “阿波罗阿波罗”飞船登月仓飞船登月仓 1通道通道;2姿态喷管姿态喷管;3着陆架着陆架; 4出入口出入口;5窗口窗口;6对接雷达对接雷达 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 在登月过程中在登月过程中,两两 名航天员在这里生

29、活和名航天员在这里生活和 工作工作,登月舱上升段就成登月舱上升段就成 为航天员的一个临时性为航天员的一个临时性 探险基地。上升段里还探险基地。上升段里还 有有上升发动机上升发动机,航天员在航天员在 月面上完成任务后月面上完成任务后,上升上升 发动机使他们飞离月面发动机使他们飞离月面, 送回在月球轨道上飞行送回在月球轨道上飞行 的指挥舱。的指挥舱。 “阿波罗阿波罗”飞船登月仓飞船登月仓 1通道通道;2姿态喷管姿态喷管;3着陆架着陆架; 4出入口出入口;5窗口窗口;6对接雷达对接雷达 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 登月舱是在空间和重力较小

30、的月面进行工作登月舱是在空间和重力较小的月面进行工作 的的,它的结构设计考虑主要是发射时的加速度和它的结构设计考虑主要是发射时的加速度和 在月球着陆时的冲击力在月球着陆时的冲击力,并不受空气动力方面的并不受空气动力方面的 影响。影响。 此外此外,登月舱设计中的一个最大问题是重量登月舱设计中的一个最大问题是重量 控制控制,由于登月舱每增加由于登月舱每增加1kg质量都必须付出整个质量都必须付出整个 航天器与燃料质量的更惊人的代价。航天器与燃料质量的更惊人的代价。 因此因此,特别注意保证结构和系统最少的重复特别注意保证结构和系统最少的重复 性考虑。性考虑。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控

31、制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 飞船的制导与控制工作是由两个相互联系的飞船的制导与控制工作是由两个相互联系的 分系统来完成的分系统来完成的,这就是这就是导航与制导系统导航与制导系统和和稳定稳定 与控制系统与控制系统。这两个分系统感测出姿态和轨道变。这两个分系统感测出姿态和轨道变 化诸参数化诸参数,处理这些信息处理这些信息,并把它变为飞船推进装并把它变为飞船推进装 置的指令。置的指令。 导航与制导系统导航与制导系统的功能是使飞船遵循正确的功能是使飞船遵循正确 的航线飞行的航线飞行,它有控制飞船轨道的能力它有控制飞船轨道的能力,也要求有也要求有 引导救生的能力。引导救生的能力。 二

32、、载人飞船的制导与控制二、载人飞船的制导与控制 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 稳定和控制系统稳定和控制系统使航天员能在飞行的各个阶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段或者手动地或者自动地操纵飞船,它的功能一它的功能一 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。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该分系统的所有控制功能都是导航与制导系 统的后援统的后援,它也可用作惯性基准的后备系统。它也可用作惯性基准的后备系统。 空间飞行器动力

33、学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 (1) 导航与制导系统导航与制导系统 飞船的导航与制导工作一般可有三条不同的渠道。飞船的导航与制导工作一般可有三条不同的渠道。 第一第一,由地面雷达监视飞船由地面雷达监视飞船,并将所测得的数据传给并将所测得的数据传给 地面控制中心的实时计算机处理地面控制中心的实时计算机处理,计算机将飞船目前的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位置与速度由通信系统通知飞船的导航与制导计算机; 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 第二第二,飞船本身的惯性

34、测量仪器测出的飞船方飞船本身的惯性测量仪器测出的飞船方 向和速度的变化向和速度的变化,提供给飞船计算机提供给飞船计算机; 第三第三,航天员在飞船上进行天体观测所得的位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入飞船计算机。置与速度数据也通过键盘输入飞船计算机。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 飞船计算机在收到这三条渠道的信息后飞船计算机在收到这三条渠道的信息后,便便 与记忆系统储存的预定程序资料相比较与记忆系统储存的预定程序资料相比较,从而向从而向 飞船发动机发出校正航线的指令和数据。飞船发动机发出校正航线的指令和数据

35、。 飞船导航与制导系统一般包括飞船导航与制导系统一般包括3个子系统个子系统,即即 惯性系统惯性系统,光学系统及计算机系统。光学系统及计算机系统。3个子系统的个子系统的 每一个在应急期间都应能独立操作每一个在应急期间都应能独立操作,这样这样,其中一其中一 个发生故障将不损坏整个系统。个发生故障将不损坏整个系统。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 (2) 稳定与控制稳定与控制 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。 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

36、可能的。需要按照载人飞船不同 的任务要求进行有针对性地设计。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 例如例如,“水星水星”飞船最大的姿态机动速率高飞船最大的姿态机动速率高 达达12s,以提供高机动性及应急情况下的快速以提供高机动性及应急情况下的快速 反应反应; “阿波罗阿波罗”飞船最大的姿态机动速率低于飞船最大的姿态机动速率低于 “水星水星”飞船的飞船的120,且主要是为了满足导航对且主要是为了满足导航对 准之间的机动要求。准之间的机动要求。 “阿波罗阿波罗”飞船具有很大的惯性飞船具有很大的惯性,如采取如采取 “水星水星”飞船的速率飞船的速率

37、,则反作用控制系统的燃料则反作用控制系统的燃料 消耗将是巨大的。消耗将是巨大的。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 已用于载人飞船姿态稳定与控制的系统 主要有: l 手动-比例系统 l 电传操纵与最小冲量系统 l 速率稳定与控制系统 l 自动稳定与控制系统 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 载人飞船稳定与控制系统设计的载人飞船稳定与控制系统设计的一般准则一般准则: l 最小重量最小重量; l 最小功耗最小功耗; l 最小推进剂消耗最小推进剂消耗; l 最小体积最小体积; l 高可靠性

38、。高可靠性。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 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。 三、载人飞船的再入返回控制三、载人飞船的再入返回控制 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 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

39、时产生的飞船姿态阻尼飞船与运载火箭分离时产生的飞船姿态 章动角速率章动角速率; (2) 提供一个提供一个180偏航机动并达到一个零滚动偏航机动并达到一个零滚动 与与 -34俯仰的姿态。在这种姿态下俯仰的姿态。在这种姿态下,制动火箭被适当制动火箭被适当 对准以便于制动对准以便于制动; (3) 在制动火箭点火之前在制动火箭点火之前,保持姿态在保持姿态在10精精 度内度内; 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 (4) 在制动火箭点火时在制动火箭点火时,保持姿态在保持姿态在5 精度内精度内; (5) 达到一个俯仰达到一个俯仰1.5的再入姿态的再入姿

40、态,然后保然后保 持这个姿态直到经受到持这个姿态直到经受到0.05 g负加速度时负加速度时 为为 止止; (6) 提供提供10/s再入滚动速率以便减少落再入滚动速率以便减少落 点散布点散布,并且在再入时限制俯仰与偏航速率振并且在再入时限制俯仰与偏航速率振 荡于荡于2/s。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 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:

41、 (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; 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 (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 干扰与再入时的气动干扰,而且控制力矩应当 具有较大的设计余量。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 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

42、目的,这就是飞船着陆系统的任务。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 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。 由于正常及应急返回地球有许多可能的 返回路线,因此也要求着陆系统具有使飞船在 陆地和水上着陆的能力。此外,要求系统具有 最小的质量和体积。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 前苏联载人飞船的着陆系统与美国载人 飞船的着陆系统类似,都是采用降落伞系统作 为回收减速的手段。 前苏

43、联“东方号”飞船除采用降落伞回 收外,航天员采用弹射座椅及人伞系统返回地 面。“上升号与“联盟号”飞船利用着 陆火箭进行缓冲,而“联盟号”飞船在着陆之 前先将防热层抛掉。 我国“神舟号”试验飞船也利用了着陆 火箭进行缓冲。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 “阿波罗阿波罗”飞船着陆系统应急返回程序飞船着陆系统应急返回程序 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 （1）载人空间站概述）载人空间站概述 人在航天活动中占有重要位置人在航天活动中占有重要位置,尽管航天器尽管航天器 携带的装置精确、

44、灵敏度高、能自动观测、操作、携带的装置精确、灵敏度高、能自动观测、操作、 储存、处理数据储存、处理数据,但它们不能代替人的思维。但它们不能代替人的思维。 人的精细观察和操作能力人的精细观察和操作能力,对意外事件的及对意外事件的及 时应变能力时应变能力,创造性的判断和决策能力创造性的判断和决策能力,在提高航在提高航 天器运行的可靠性天器运行的可靠性,提高空间观测和空间操作的提高空间观测和空间操作的 能动性和效率能动性和效率,对地观测目标的识别、科学试验对地观测目标的识别、科学试验 等方面发挥重大作用。等方面发挥重大作用。 四、空间站四、空间站 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课

45、第八课_ _载人航天技术载人航天技术 空间站和空间平台是应用卫星技术和载人飞空间站和空间平台是应用卫星技术和载人飞 行技术相结合的必然产物行技术相结合的必然产物, ,是航天技术发展的新是航天技术发展的新 台阶台阶, ,是未来天基系统中基本的载人或有人照料是未来天基系统中基本的载人或有人照料 的永久性航天器。的永久性航天器。 空间站和空间平台可用于对地进行综合观测空间站和空间平台可用于对地进行综合观测; ; 对太阳和恒星进行无大气折射的全谱段天空观测对太阳和恒星进行无大气折射的全谱段天空观测; ; 研究微重力环境对材料和生物的影响研究微重力环境对材料和生物的影响, ,试验和生试验和生 产空间产品

46、（材料、药品）。产空间产品（材料、药品）。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 空间站空间站上有良好的生命保障系统上有良好的生命保障系统, ,可以长期可以长期 载人。载人。 空间平台空间平台只有比较简单的生命保障系统只有比较简单的生命保障系统, ,不不 能长期载人能长期载人, ,但它除能完成许多空间站所能完成但它除能完成许多空间站所能完成 的任务之外的任务之外, ,还因无人为污染和干扰还因无人为污染和干扰, ,姿态稳定性姿态稳定性 和环境洁净度要比空间站好得多。和环境洁净度要比空间站好得多。 空间平台可以做到有人照料飞行空间平台可以做到有人

47、照料飞行, ,也可以自也可以自 主地独立飞行。主地独立飞行。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 空间平台的有效载荷比和效费比比空间 站优越得多;然而,空间站的用途比空间平台 要广泛。 它即可用于空间站自身和其他空间设施 的装配、部署、维修、更换、补充、试验和 检测,又可用于月球基地和飞往太阳系其他行 星的中转站。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 （2）空间站系统组成）空间站系统组成 空间站是一项复杂的大型系统工程。空间站空间站是一项复杂的大型系统工程。空间站 的设计是一个非常复杂的

48、过程的设计是一个非常复杂的过程, ,它涉及到近期和它涉及到近期和 远期任务要求、人在空间站的任务和作用远期任务要求、人在空间站的任务和作用; ;人人- -机机 关系关系; ;信息系统信息系统; ;航天成果的利用和新技术发展航天成果的利用和新技术发展; ; 空间运输系统能力空间运输系统能力, ,太空组装和维修太空组装和维修; ;空间站和空空间站和空 间平台的积木化和分离能力间平台的积木化和分离能力; ;空间站的增长能力空间站的增长能力; ; 空间站系统的综合和分析空间站系统的综合和分析; ;成本分析、效益分析成本分析、效益分析 和风险分析等。和风险分析等。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学

49、与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 空间站主要由下列系统组成空间站主要由下列系统组成: :有效载荷、结有效载荷、结 构系统、环境控制和生命保障系统、电源系统、构系统、环境控制和生命保障系统、电源系统、 数据管理系统、热控制系统、站内和站外活动系数据管理系统、热控制系统、站内和站外活动系 统、对接和停泊系统、姿态控制系统、轨道保持统、对接和停泊系统、姿态控制系统、轨道保持 系统、推进系统等。系统、推进系统等。 此外空间站系统设计还要考虑轨道选择、空此外空间站系统设计还要考虑轨道选择、空 间站外形选择等重要因素。间站外形选择等重要因素。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制

50、 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 （3）国际空间站简介）国际空间站简介 国际空间站由自由号空间站演变而来的国际空间站由自由号空间站演变而来的, ,国国 际空间站计划有际空间站计划有1616个国家个国家: :美国、加拿大、空局美国、加拿大、空局 （意大利、法国、德国、比利时、荷兰、丹麦、（意大利、法国、德国、比利时、荷兰、丹麦、 挪威、西班牙、瑞典、瑞士、英国）、日本、俄挪威、西班牙、瑞典、瑞士、英国）、日本、俄 罗斯和巴西参加罗斯和巴西参加, ,是涉及国家最多的大型国际航是涉及国家最多的大型国际航 天合作项目天合作项目, ,也是当代规模最大的航天系统工程。也是当代规模最大的航天系统

51、工程。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 国际空间站国际空间站 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 国际空间站国际空间站主要基础设施的主要基础设施的基本组成如下基本组成如下: : a. a. 基础桁架基础桁架 空间站的基础结构是桁架式大梁（龙骨）空间站的基础结构是桁架式大梁（龙骨）, , 用来安装各舱段、太阳电池翼、辐射散热器、机用来安装各舱段、太阳电池翼、辐射散热器、机 器人移动服务系统、外露试验平台等。器人移动服务系统、外露试验平台等。 b. b. 功能货舱（功能货舱（FGBFGB

52、） 功能货舱是由俄罗斯研制的第一个在轨空间功能货舱是由俄罗斯研制的第一个在轨空间 站单元站单元, ,于于19981998年年1111月月2020日发射入轨。舱内有生日发射入轨。舱内有生 命保障系统、发动机和居住功能（厕所和卫生设命保障系统、发动机和居住功能（厕所和卫生设 备）、电源、暂存燃料备）、电源、暂存燃料, ,外部装有多个对接口。外部装有多个对接口。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第八课第八课_ _载人航天技术载人航天技术 c. c. 实验舱实验舱 共有共有6 6个个, ,其中美国其中美国2 2个（一个实验舱、一个个（一个实验舱、一个 离心机舱（离心机舱（CAMCAM）, ,欧空局一个、日本一个、俄欧空局一个、日本一个、俄 罗斯罗斯2 2个。美国、欧空局（个。美国、欧空局（COFCOF）和日本实验舱）和日本实验舱 （JEMJEM）共有）共有3333个国际标准有效载荷机柜个国际标准有效载荷机柜, ,美