空间飞行器设计考点

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1、康斯坦丁康斯坦丁.齐奥尔科夫斯基被誉为世界航天之父齐奥尔科夫斯基被誉为世界航天之父,现代航天学和火箭理论的奠基人现代航天学和火箭理论的奠基人 其代表作有其代表作有: 在地球之外（在地球之外（2017 年）年） ；在月球上；在月球上. 钱学森先生被誉为中国运载火箭的奠基人、中国的航天之父。钱学森先生被誉为中国运载火箭的奠基人、中国的航天之父。以 1957 年 10 月 4 日前苏联利用多级液体运载火箭成功发射的世界上第一颗人造地球卫星 为标志，人类进入了太空时代。该运载火箭属于东方号系列。 火箭设计师，科罗廖夫；卫星设计师，吉洪拉沃夫“上升号”、 “闪电号”、 “联盟号”、 “进步号”四种火箭又

2、构成“联盟号”子系列火箭。 继苏联之后，美国于 1958 年 1 月 31 日成功地发射了其第一颗人造地球卫星 “探险者 1 号”。“探险者”1 号的主要成果是首次发现地球辐射带,后来被人们称为范爱伦辐射带。这个辐射 带内的高能带电粒子对载人空间飞行和卫星材料、仪器都有一定的危害性。 世界范围内主要有 10 大航天发射场。其中，中国有两个。共三个，在建第四个。航天技术使人类得以利用宇宙空间的独特条件（微重力、超纯净、无对流） ，进行全新的 科学技术实验。空间微重力环境下的生物工程实验、药品制造、半导体材料制造。1981，国际宇航联合会第 32 届年会定义人类的第一第四环境：陆地海洋大气层空 间

3、外层空间戈达德(Robert H. Goddard，1882-1945)1925 年 11 月成功进行了液氧火箭发动机试验。德国奥伯特(Hermann Oberth, 1894-1989)和冯.布劳恩(Wernher von Braun,1912-1977)合作研 究 A4(V-2 前身),也取得了显著成就。1961 年 4 月 12 日，前苏联宇航员加加林乘坐“东方 1”号飞船进入太空，绕地球飞 行 108 分钟，开始了世界载人航天的新时代; 1969 年 7 月 20 日，美国人阿姆斯特朗、奥尔德林、乘坐“阿波萝 11”号飞船登月成 功; 1981 年 4 月，美国“哥伦比亚”号航天飞机试

4、飞成功。1970 年 4 月 24 日，第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功;使用的运载火箭是 LM-1 1999 年 11 月 20 日 6 点 30 分，中国载人航天第一艘无人试验飞船“神舟号”发射成 功;LM-2F 2003 年 10 月 15 日 16 日，中国第一艘载人飞船“神舟 5 号”发射成功,杨利伟成 为中国航天第一人。 2005 年, “神舟 6 号”宇宙飞船发射成功,费俊龙、聂海胜完成了第一次载人科学试验 飞行。当前,航天科技正朝着“更快、更好、更省”方向发展。空间探测趋于以“更小、更快、 更省”方式进行。月球探测绕月飞行着月探测登月考察建立月球基地开发月球资源我们研究

5、的宇宙，指观测到的宇宙，是目前能观测到的现象的总和，即总星系。宇宙是有 限的，时间上有起源、空间上有边界。星系，即尺度巨大而结构复杂的天体，由几十亿至几千亿颗恒星及星际气体、尘埃组成， 是尺度从几千光年到几十万光年的引力束缚系统。太阳系所在的银河系，约含 1000 亿颗以上各类恒星。银河系外形像铁饼，直径 90000 光年， 厚度 6000 光年，总质量约为太阳的 1.41011倍。太阳距银河系中心约 2.52.8 万光年，绕 行速度约 250km/s。太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区和对流区、太阳大气。太阳的大气层，像地球的 大气层一样，可按不同的高度和不同的性质分成各个圈层，即光球、色

6、球和日冕三层。太阳光球就是我们平常所看到的太阳圆面，通常所说的太阳半径也是指光球的半径。光球 的表面是气态的。 “太阳黑子”是光球表面一种著名的活动现象。 紧贴太阳光球以上的一层大气称为色球层，平时不易被观测到，过去这一区域只是在日全 食时才能被看到。色球层厚约 8000km,它的化学组成与光球基本上相同，但色球层内的物 质密度和压力要比光球低得多。 “耀斑”和“日珥” 是发生在色球层的太阳活动现象。日冕里的物质更加稀薄，它还会有向外膨胀运动，并使得热电离气体粒子连续地从太阳向 外流出而形成太阳风。水星上的温差是整个太阳系中最大的，温度变化的范围为 90K 到 700K。 木星没有固体外壳，它

7、是一颗由液态氢组成的液态星球。 木星直径约为 14.3 万 km，是地球直径的 11.25 倍，体积为地球的 1316 倍，而质量为 所有其他行星的 2.5 倍。木星的平均密度相当低，仅 1.33g/cm3。 木星是除天王星和土星外拥有卫星最多的大行星，至今已发现 16 颗，其中最亮的 4 颗 是伽利略第一次用望远镜分辨出来的，称伽利略卫星。大多数行星自转轴几乎与黄道面垂直，但天王星的轴线却几乎平行于黄道面(黄赤交角:9755) 。2006 年 1 月发射的“新地平线”号,预计 2015 年到达冥王星进行观测。它将先飞掠木星，进 行观测。借助木星引力获得足够的加速度。国际天文学联合会国际天文学

8、联合会 2006 年年 8 月月 24 日通过决议，行星（日通过决议，行星（planet）天体应符合三个主要条件：）天体应符合三个主要条件：（1）天体须位于围绕太阳的轨道上）天体须位于围绕太阳的轨道上（2）天体须有足够大质量来克服固体应力以达到流体静力平衡（）天体须有足够大质量来克服固体应力以达到流体静力平衡（hydrostatic equilibrium）的形状（近于球形）的形状（近于球形）（3）天体须已经清空了其轨道附近的区域）天体须已经清空了其轨道附近的区域哈雷彗星哈雷彗星知名度最高，是第一颗被算出轨道并按预言准时回归，回归周期为 76 年左右。从 春秋战国到清末的 2000 多年间,每

9、次回归我国史书中都有记载。 春秋鲁文公 14 年(公元 前 613 年) “秋七月，有星孛入于北斗”的记载，是世界上关于哈雷彗星的最早记录。 最近一次回归于 1985 年底。航天器在空间飞行时所处的环境（包括自然的和人为的）称为空间环境空间环境。 太阳系内的空间 环境可分为：地球空间环境地球空间环境, 行星际空间环境行星际空间环境, 其他行星空间环境其他行星空间环境宇宙空间的能量密度在任何方向为 10-5W/m2,相当于温度为 3K 的黑体（black body）发出 的能量。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射( 当然黑体仍 然要向外辐射)。 太空只吸收、而不反射能量。

10、这种环境称为空间冷黑环境，空间冷黑环境，又称热沉热沉 (热汇热汇)(heat sink)。航天器材料选择要考虑任务周期与太阳活动周期的关系。航天器材料选择要考虑任务周期与太阳活动周期的关系。地磁场控制着近地空间带电粒子的运动，并通过大气增温对航天器轨道产生影响。同时， 磁力矩影响航天器姿态。自太阳风，即太阳喷发出来的等离子体。空间粒子辐射分：天然粒子辐射环境和高空核爆炸后形成的核辐射环境。 无论是高能带电粒子辐射还是核辐射都能对航天器上的电子元件及功能材料发生相互作用； 在载人航天中，对航天员产生不良影响。地球辐射带（Van Allen Belt）：主要成份为质子和电子。太阳宇宙线：是太阳耀斑

11、时喷射 出的高能带电粒子。主要是质子、 粒子和少量电子，又称太阳质子。银河宇宙线：来 自银河系，单粒子能量很高、强度很低。绝大多数为质子，其次为 粒子。美国通过地面空间监视网（SSN）进行观测。 大碎片：直径大于 10cm 风险碎片：直径大于 1cm 、小于 10cm 小碎片：直径小于 1cm轨道越高，空间碎片最小尺寸越大。1000km 高度处，空间物体最多。大碎片数量很少，但质量总数占 99.93%。运载火箭是二战后在洲际导弹的基础上开始发展的。第一枚成功发射卫星的运载火箭是前 苏联的”卫星”号, 由 P-7（SS-6）洲际导弹改装而成。运载火箭新技术的研究方向总体结构：减少级数和发动机数量

12、。通用化、模块化、系列化。芯级动力：大推力氢氧火箭发动机。控制系统：激光陀螺制导系统；基于总线技术的数字式电子系统。先进材料：铝锂合金、复合材料；应用于可重复使用的运载器。运载火箭的指标主要包括运载能力、入轨精度、以及火箭对不同重量的有效载荷的适应能 力及可靠性、经济性。“质子号”系列运载火箭是前苏联第一种非导弹衍生的、专为航天任务设计的大型运载器。 在“能源号”重型火箭投入使用前，该型号是前苏联运载能力最大的运载火箭。“能源号”运载火箭是一种重型通用运载火箭，也是目前世界上起飞质量与推力最大的火箭。1988 年 11 月 15 日，能源号火箭将不载人的暴风雪号航天飞机送入太空轨道。“德尔它系

13、列德尔它系列”是在是在“雷神雷神”中程导弹基础上发展的航天运载器，是目前世界上改型最快、成中程导弹基础上发展的航天运载器，是目前世界上改型最快、成 员最多的系列。员最多的系列。“Delta II”型火箭，型火箭，2004 年年 6 月月 10 日用于发射载有日用于发射载有“勇气勇气”号火星车的号火星车的“火星探索漫游者火星探索漫游者 1” 号。自号。自 1989 年投入使用以来，仅年投入使用以来，仅 1997 年发射失败年发射失败 1 次，发射成功率在次，发射成功率在 95以上，是美国以上，是美国 现役的安全可靠性最高的中型运载火箭之一。现役的安全可靠性最高的中型运载火箭之一。Delta 型火

14、箭有 5 个型号，即中型、重型和在中型基础上提出的 3 个中大型号。3 个中大 型火箭代号分别是 M+(4,2)、M+(5,2)和 M+(5,4)，括号中第一个数字表示整流罩直径（4 或 5m） ，第二个数字表示捆绑石墨环氧树脂壳体固体发动机数量（2 台或 4 台） 。“Ariane”系列是欧空局所属 11 国联合研制的大型液体运载火箭系列，共发展了 5 个型号。 主要用于向地球同步轨道发射各类应用卫星。1986 年初挑战者号失事后，美国停止用航天飞机发射一般商业卫星。趁此时机，我国仅用 了 18 个月就研制成功长征二号 E(又称长二捆，LM-E)运载火箭。在长征二号 E 的基础上改进了可靠性

15、并增设了故障检测系统和逃逸救生系统，发展出了长 征二号 F(LM2-F)运载火箭，专门用来发射神舟号载人飞船。长征四号乙运载火箭是长征火箭家族中用于发射各种太阳同步轨道和极轨道应用卫星的主 要运载工具。运载火箭工作段又称航天器轨道飞行主动段。运载火箭上作用的阻力主要有摩擦阻力和压差阻力，高速飞行时还有激波阻力。多级火箭的理想速度计算。不制导情况下运载火箭的静稳定性，即当火箭受扰时，靠火箭本身的空气动力矩使之恢复； 它取决于火箭重心与压心之间的位置（重心在前，压心在后） 。从弹道火箭起飞到到关闭火箭发动机（或弹头与弹体分离）为止的一段飞行弹道为主动段 弹道。虽然主动段弹道只占火箭全部飞行弹道的很

16、小一部分，水平距离只有射程的 5左 右，但它决定火箭的射程和命中精度，对火箭的全弹道飞行起决定性作用。按主动段内各 程序段的特征，可分为垂直起飞段、程序转弯段和瞄准段。除中制导和末制导的火箭外，后效段引起的射击误差一般不可控制，属非制导误差，通常 采用两次关机和末速修正的办法加以严格控制。运载火箭的飞行弹道可分为三个基本类型：直接入轨、滑行入轨（在一个主动段后，加上 一个自由飞行段，最后再加上一个主动段。 ）和过渡入轨（弹道分为 5 段：加速段、停泊段、 再加速段、过渡段和加速入轨道。 ） 。火箭发动机分类：（按推进剂）液体推进剂火箭发动机、固体推进剂火箭发动机、 混合推进剂火箭发动机。 特点：工作不依靠空气，是大气层外飞行和宇宙航行的主要动力装置。按液体火箭发动机推进剂的输送系统分为挤压式（适用于小推力或工作时间较短的发动机。 系统结构简单，易实现多次起动。 ）和泵压式（泵压式系统还可分为开环和闭环系统。 ） 。燃烧剂燃烧剂是推进剂中的可燃物质：液氢，偏二甲肼，