航天器动力学课件.

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1、 1.1 世界航天技术发展的概况 1.2航天器的分类与系统组成 1.3航天器控制的基本概念 第一章 绪 论 “我知道地球是圆的，因为我看 见了圆形；然后，又看到它还是立体 的。当我往下看时，看到印度洋 上船舶拖着尾波前进，非洲一些地方 出现灌木林火，一场雷电交加的暴风 雨席卷了澳大利亚1000英里的地区， 呈现出大自然的一幅立体风景画。” 这是航天员在谈到从航天飞机上 看地球的情景时的一段描述。 第一章 绪 论 航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一 ，它推动着人类科学技术的进步，使人类活动的领域由 大气层内扩展到宇宙空间。航天技术是现代科学技术的 结晶，是基础科学和技术科学的集成，航天

2、技术是一个 国家科学技术水平的重要标志。 空天飞机设想图 1.1 世界航天技术发展的概况 航天技术是一门综合性的工程技术，主要包括：制 导与控制技术，热控制技术，喷气推进技术，能源技术 ，空间通信技术，遥测遥控技术，生命保障技术，航天 环境工程技术，火箭及航天器的设计、制造和试验技术 ，航天器的发射、返回和在轨技术等。由多种技术融于 一体的航天系统是现代高技术的复杂大系统，不仅规模 庞大，技术高新、尖端，而且人力、物力耗费巨大，工 程周期长。时至今日，航天技术已被广泛应用到政治、 军事、经济和科学探测等领域，已成为一个国家综合国 力的象征。 人类很早就有遨游太空 、征服宇宙的理想。宇宙的 星球

3、对人类一直充满着吸引 力和神秘感，许多美丽的神 话和传说，反映了人类对宇 宙的向往和探索空间奥秘的 心情。嫦娥奔月、牛 郎织女，以及孙悟空腾云 驾雾、一个筋斗十万八千里 等。 飞天壁画 1.1.1 人类的早期航天探索 航天飞行的历史是从火箭技术 的历史开始的，没有火箭也就没有 航天飞行。追溯源头，中国是最早 发明火箭的国家。“火箭”这个词 在三国时代(公元220280年)就出 现了。不过那时的火箭只是在箭杆 前端绑有易燃物，点燃后由弩弓射 出，故亦称为“燃烧箭”。 随着中国古代四大发明之一的火药出现，火药便取代 了易燃物，使火箭迅速应用到军事中。公元lO世纪唐 末宋初就已经有了火药用于火箭的文

4、字记载，这时的 火箭虽然使用了火药，但仍须由弩弓射出。真正靠火 药喷气推进而非弩弓射出的火箭的外形被记载于明代 茅元仪编著的武备志中，见图1.1。 这种原始火箭虽然没有现代火 箭那样复杂，但已经具有了战 斗部(箭头)、推进系统(火药筒 )、稳定系统(尾部羽毛)和箭体 结构(箭杆)，完全可以认为是 现代火箭的雏形。 中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用了串联(多级 )和并联(捆绑)技术以提高火箭的运载能力。明代史记中 记载的“神火飞鸦”就是并联技术的体现；“火龙出水 ”就是串、并联综合技术的具体运用，如图1.2所示。 世界上第一个试图乘坐火箭上天的 “航天员”也出现在中国。相传在14世 纪末期

5、，中国有位称为“万户”的人， 两手各持一大风筝，请他人把自己绑在 一把特制的座椅上，座椅背后装有47支 当时最大的火箭(又称“起火”)。他试 图借助火箭的推力和风筝的气动升力来 实现“升空”的理想。“万户”的勇敢 尝试虽遭失败并献出了生命，但他仍是 世界上第一个想利用火箭的力量进行飞 行的人。 万户 19世纪末20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展 起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出 许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物K3 齐奥尔科夫斯基(OHCTaHTHH3ayap且oBHq UHOaKOBCKHfi)，R戈达德(Robert Goddard)，H 奥伯特(Hermann Ober

6、th)。 1.1.2 近代航天技术的发展 K3齐奥尔科夫斯基 R戈达德 前苏联科学家齐奥尔 科夫斯基一生从事利用火 箭技术进行航天飞行的研 究。在他的经典著作中， 对火箭飞行的思想进行了 深刻的论证，最早从理论 上证明了用多级火箭可以 克服地心引力进入太空的 论点。现代宇航之父齐奥尔科夫斯基 齐奥尔科夫斯基的贡献 1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。 2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置， 论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器 的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。 3、指出过用新的燃料(原子核分解的能量)来作火箭的动力； 并具体

7、地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的 条件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。 4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵来控制火箭 ，用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火 箭等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。 美国的火箭专家、物理 学家和现代航天学奠基人之 一戈达德博士在1910年开始 进行近代火箭的研究工作， 他在1919年发表的达到极 大高度的方法的论文中， 阐述了火箭飞行的数学原理 ，指出火箭必须具有79 kms的速度才能克服地球 的引力，并研究了利用火箭 把有效载荷送至月球的几种 可能方案。 美国科学家戈达德（18821945

8、） 德国的奥伯特教授在他1923年出版的飞向星际 空间的火箭一书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空 中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够 的推力，便能绕地球轨道飞行。同齐奥尔科夫斯基和 戈达德一样，他也对许多推进剂的组合进行了广泛的 研究。 在1932年德国发射A2火箭，飞行高度达到3 km。 1942年10月3日，德国首次成功地发射了人类历史上第 一枚弹道导弹V2(A4型)，并于1944年9月6日首 次投入作战使用。 德国弹道导弹发射升空的情景 在第二次世界大战中设计了V2火箭 并为宇宙探索作出了重大贡献的冯布劳恩博士 V-2的成功在工程上实现 了19世纪末、20世纪初航天技 术先躯者

9、的技术设想，并培养 和造就了一大批有实践经验的 火箭专家，对现代大型火箭的 发展起到了继往开来的作用。 V-2的设计虽不尽完善，但它 却是人类拥有的第一件向地球 引力挑战的工具，成为航天技 术发展史上的一个重要里程碑 。 V-2火箭 1957年10月4日，前苏联用“卫星”号运载火箭把世 界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外 径O58 m，外伸4根条形天线，质量836 kg，卫星 在天上正常工作了3个月。按照今天的标准衡量，前苏 联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆 球，但它却是世界上第一个人造天体，把人类几千年 的梦想变成了现实，为人类开创了航天新纪元，标志 着人类活动范围

10、的又一飞跃。 1.1.3 现代航天的里程碑 1960年3月 11日，美国发 射了“先驱者 5号”探测器 ，它成为人类 第一个深空探 测器，从 3.6510km远处 发回了探测数 据。 “先驱者号”探测器 1961年2月 21日，前苏 联发射了“ 金星1号”探 测器，开始 了人类对太 阳系行星的 探测。 “金星号”探测器 1961年4月12日，前苏联成功地发射了第一艘“东方号 ”载人飞船，尤里.加加林成为人类第一位航天员，揭 开了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新 时代。 尤里加加林 1962年8 月27日， 美国发射 的“水手2 号”探测器 第一次成 功飞越金 星。 “水手2号”探测器

11、 1964年 11月28日 ，美国发 射的“水手 4号”探测 器第一次 成功飞越 火星。 “水手4号”探测器 1965年3月， 前苏联航天员 从“上升号”载 人飞船上走出 舱外，实现了 人类第一次太 空行走。 “上升号”载人飞船 1966年1月， 前苏联两艘“ 联盟号”飞船 第一次在轨道 上成功交会对 接，并实现了 两位航天员从 一艘飞船向另 一艘飞船的转 移。 “联盟号”飞船 1969年7月20日，美国NA阿姆斯特朗和EE奥 尔德林乘坐“阿波罗11号”飞船登月成功，在月球静 海西南角着陆，成为涉足地球之外另一天体的首批人 员。他们在月球上安放了科学实验装置，拍摄了月面 照片，搜集了22虹月球

12、岩石与土壤样品，然后自月面 起飞，与指挥舱会合，返回地球。首次实现了人类登 上月球的理想。 NA阿姆斯特朗EE奥尔德林 1971年4月19日，前苏联“礼炮1号”空间站人轨成功 ，其质量约18 t，总长14 m，轨道高度200250 km， 轨道倾角516。，成为人类第一个空间站，完成了有 关天体物理学、航天、医学、生物学等方面的科研计 划，考察地球资源和进行长期失重条件下的技术实验 。 1972年3月2日，美国发射了木星和深远空间探测器“ 先驱者10号”。它携有表明人类信息的镀金铝板，经 过11年飞行，于1983年6月越过海王星轨道，而后成为 飞离太阳系的第一个人造天体。 1975年6月8日，

13、前苏联发射了“金星9号”探测器，实 现了在金星表面着陆。 1975年7月18日，美国“阿波罗号”飞船与前苏联 “联盟19号”飞船在大西洋上空对接成功(视频资料)。 1975年8月20日，美国发射了“海盗1号”探测 器，第一次在火星表面着陆成功(视频资料)。 1977年9月，美国发射了“旅行者2号”探测器 ，对天王星、海王星进行探测。 “阿波罗号”飞船与前苏联“联盟19号”飞船在大西洋上空对接记录片 1981年4月，世界上第一架垂直起飞、水平着陆、可重 复使用的美国航天飞机“哥伦比亚号”试飞成功，标 志着航天运载器由一次性使用的运载火箭转向重复使 用的航天运载器的新阶段，是航天史上一个重要的里

14、程碑，标志着人类在空间时代又上了一层楼，进入了 航天飞机时代。至2000年10月，航天飞机已成功飞行 100次。 “哥伦比亚号”航天飞机首飞记录片 1986年2月，前苏联“和平号”轨道空间站发射成功， 它成为目前人类发射的在轨运行时间最长的载人航天 器，在轨运行超过15年。2001年3月23日，“和平号” 轨道空间站被引入大气层销毁，完成了其辉煌的历史 使命。 “和平号”轨道空间站 目前，更大规模的国际空间站在美国、俄罗斯、加拿 大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行 在轨组装建设 人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门! 不难看出，从公元10世纪的中国火箭到第二次世界大 战的V一2导

15、弹，人类是出于军事需求发展了火箭技术 ，而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自 20世纪40年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并 日臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工 业基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更 趋完善。 航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年 代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中60年代以 来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫 星与应用卫星得到了很大发展。至70年代，军、民用 卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导 航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源 等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向 多用途、长

16、寿命、高可靠性和低成本的方向发展。 1.1.4 现代航天技术的应用 北斗导航试验卫星定位原理图 回顾近50年来航天技术应用的历程，具有代表性的大 事列举如下： 1958年12月，美国发射了世界上第一颗通信卫 星“斯科尔号”； 1960年4月，美国先后发射了世界上第一颗气象 卫星“泰罗斯1号”和导航卫星“子午仪1B号”； 1963年7月，美国发射了世界上第一颗地球同步 轨道通信卫星； 1964年8月，美国发射了世界上第一颗地球静止 轨道通信卫星； 1965年4月，美国成功地发射了世界上第一颗商用通 信卫星“国际通信卫星1号”，正式为北美与欧洲之间 提供通信业务，它标志着通信卫星进入了实用阶段； 1972年7月，美国发射了世界上第一颗地球资源 卫星“陆地卫星1号”； 1982年11月，美国航天飞机开始商业性飞行； 1984年11月，美国航