航天飞机的制导与控制

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1、10.1 航天飞机的结构组成 10.2 航天飞机的控制系统 10.3 航天飞机的飞行控制 10.4 航天飞机再入与着陆的制导与控制,第十章 航天飞机的制导与控制,航天飞机是一种有人驾驶的、主要部分可以重复使用的空间运输工具。它可以像火箭那样垂直起飞，像载人飞船那样在轨道上运动，像飞机那样滑翔，在地面上水平着陆。航天飞机除了运载和部署卫星以外，还可以检修、回收卫星，或进行空间营救。在军事方面，航天飞机还可以执行载人近地轨道实时侦察、拦截卫星、战略轰炸等任务。在空间科学技术的应用方面也非常广泛，如发射空间实验室和建立永久性国际空间站等。,第十章 航天飞机的制导与控制,10.1 航天飞机的结构组成,

2、航天飞机记录片,目前，美国的整个航天飞机系统，是由一个轨道器、一个外储箱和两个固体火箭助推器所组成，通常所说的航天飞机就是指轨道器。航天飞机每飞行一次就要扔掉一个外储箱，而固体火箭助推器和轨道器仍能重复使用。轨道器可以重复使用100次，助推器可以重复使用20次。因此当前的航天飞机是一种部分可重复使用的第一代空间运输工具。,“哥伦比亚”号航天飞机首飞记录片,航天飞机系统整体外形结构如图10.1所示。轨道器驮在外储箱上，两台固体火箭助推器则平行地挂在外储箱的两侧。当航天飞机竖立在发射台上时，整个系统依靠助推器的尾裙支撑。整个系统全长5614 m，高23.34 m，起飞总质量2 000 t多，海平面

3、的起飞总推力为31,400 kN。航天飞机系统的整体几何尺寸也如图10.1所示。下面分别针对航天飞机系统的三大部件：轨道器，外储箱和助推器进行介绍。,第一部件是轨道器，即航天飞机，它是整个系统的核心部分。轨道器是整个系统中惟一可以载人的、真正在地球轨道上飞行的部件，它很像一架大型的三角翼飞机。它的全长3724 m，起落架放下时高1727 m；三角形后掠机翼的最大翼展2397 m；不带有效载荷时质量68 t，飞行结束后，携带有效载荷着陆的轨道器质量可达87 t。它所经历的飞行过程及其环境比现代飞机要恶劣得多，它既要有适于在大气层中作高超音速、超音速、亚音速和水平着陆的气动外形，又要有承受再人大气

4、层时高温气动加热的防热系统。因此，它是整个航天飞机系统中，设计最困难，结构最复杂，遇到的问题最多的部分。,轨道器由前、中、尾三段机身组成，如图10.2所示。前段结构可分为头锥和乘员舱两部分，头锥处于航天飞机的最前端，具有良好的气动外形和防热系统，前段的核心部分是处于正常气压下的乘员舱。这个乘员舱又可分为三层：最上层是驾驶台，有4个座位，中层是生活舱，下层是仪器设备舱。乘员舱为航天员提供宽敞的空间，航天员在舱内可穿普通地面服装工作和生活。一般情况下舱内可容纳4至7人，紧急情况下也可容纳10人。,图lO.2 航天飞机结构示意图,航天飞机的中段主要是有效载荷舱。这是一个长18 m，直径4.5 m，容

5、积300的大型货舱，一次可携带质量达29t多的有效载荷，舱内可以装载各种卫星、空间实验室、大型天文望远镜和各种深空探测器等。,航天飞机的后段比较复杂，主要装有三台主发动机，尾段还装有两台轨道机动发动机和反作用控制系统。在主发动机熄火后，轨道机动发动机为航天飞机提供进入轨道、进行变轨机动和对接机动飞行以及返回时脱离轨道所需要的推力。反作用控制系统用来保持航天飞机的飞行稳定和姿态变换。除了动力装置系统之外，尾段还有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和减速板等气动控制部件。,航天飞机系统的第二个部件是外储箱，它的作用就是为航天飞机的主发动机储存入轨前所用的全部推进剂。外储箱装在航天飞机的下方，夹在两台

6、固体火箭助推器的中间。它是航天飞机系统上惟一不可回收的部件。全长47 m，直径864 m，净质量33 t，是一个十分庞大的尖头圆柱体，由铝合金制成。内有前、后两个储箱，前储箱装600 t多液氧，后储箱装102 t液氢，外储箱总共可装700 t多的推进剂。,两台固体火箭助推器是航天飞机系统的第三个部件，它平行地安装在外储箱的两侧，航天飞机的下方。两台固体火箭助推器的结构完全相同，每台助推器长约4546 m，直径37 m，自重83 t，可以装503 t的固体推进剂，推力13 MN，可以重复使用20次。,航天飞机控制系统代表了迄今为止最复杂的一种航天器控制系统，它包括运载火箭、卫星和飞机3种不同的控

7、制，而且要求这三者有机地结合。航天飞机的飞行包括发射上升、人轨、轨道运行、离轨和再人返回等阶段。控制系统要保证航天飞机在各种飞行状况下正常执行任务和安全可靠地运行。同时航天飞机又是载人航天器和多次重复使用的，因此，该控制系统的可靠性和安全性等方面的要求也都是极其严格的。航天飞机控制系统包括轨道和姿态控制两个部分。轨道控制具体包括导航、制导和控制3种功能。另外，还可以使航天飞机与同轨道平面内最大相距560 km的目标相会合。,10.2 航天飞机的控制系统,尽管航天飞机控制系统具有强大的控制功能和复杂的结构，但它的基本结构和原理与其他各种控制系统依然一致，可以由图4.1表示。轨道和姿态敏感器、轨道

8、和姿态执行机构、计算机依然是构成航天飞机控制系统的3个基本单元。 10.2.1 航天飞机系统的测量敏感器 为了确定航天飞机系统的轨道和姿态，航天飞机系统上采用了9种导航和姿态测量设备，总共40个敏感器，在很多场合下把这些轨道和姿态测量简称为导航。机上自主轨道确定往往需要精确的姿态信息，才能精确确定轨道。,1惯性测量单元 航天飞机采用三套惯性测量单元，以并行冗余方式装在一个整体结构里。为了保证惯性测量单元的测量精度和对它进行校准的精度，惯性测量单元与两个星跟踪器装在同一个导航基座上，位于航天飞机的前舱。每套惯性测量单元由四框架平台、电子设备、输入输出装置和电源4个主要部分组成。平台框架的安装方位

9、从内向外是方位轴、内滚动轴、俯仰轴、外滚动轴。第四个框架作为冗余，以保证大姿态运动时框架不少于3个自由度。每个平台内框装有两个三自由度挠性陀螺和两个相互垂直安装的加速度计。,2星跟踪器 星跟踪器与惯性测量单元在导航基座上的安装位置如图10.2所示。两台星跟踪器分别安装在航天飞机轨道器前舱的Oz轴和Oy轴上。这种星跟踪器利用电子扫描装置搜索视场，并捕获星目标。它由成像装置光电析像管、光电倍增管、光学系统、遮光罩和电子线路等5个主要部分组成。星跟踪器视场1010，通过计算机引导星跟踪器扫描全视场。测量角度精度为1，能跟踪亮度等级为+3到一7等的星。星跟踪器用来精确测量轨道器在轨道段的姿态，同时也作

10、为对惯性测量单元中陀螺漂移的校准装置。,3航天员光学瞄准具 它由准直仪、光学十字线、光束分离器和光源组成。当惯性测量单元偏差大于O.5或星跟踪器不在视场内时，航天员可人工操作光学瞄准具对惯性测量单元进行校准，同时也可以用来检查发动机关机点的轨道器姿态。 4速率陀螺 它作为航天飞机的姿态和速率测量的敏感器，共采用10个。其中4个斜装用在轨道器上升、离轨和再入着陆阶段，另外6个分别安装在两台固体助推火箭上，用于俯仰和偏航通道的测量。,5气动参数测量系统 用来测量轨道器在离轨阶段与环境相对运动的信息。共有两组，分别装在轨道器左右两侧，每组含有测量环境温度和压力的两个敏感元件，共四套。这些相对运动参数

11、可供离轨阶段轨道器进行软件处理时使用，可为航天员提供专门显示，在操纵轨道器时使用。 6微波扫描波束着陆系统 用来测量航天飞机在着陆前最后20 km距离的精确位置。,7雷达高度表 根据无线电波反射原理，直接测量航天飞机离地面的高度，而不要求地面辅助。该装置用在轨道器着陆阶段。航天飞机上安装两套作为双重冗余系统。 8战术空中导航系统 该系统引用飞机的战术空中导航系统，用在轨道器离轨阶段。它采用军用L波段空中导航系统，从机上向地面提供斜距和磁定向信息。机上共装三套，安装在前电子设备舱内。每套由控制设备、多路转换器、上天线与下天线和接收变换器等5个部分组成。,9加速度计 在轨道器前电子设备舱装一套横向

12、和法向加速度计，用来测量和控制航天飞机的过载。加速度计量程为1g，精度为006g。 总之，航天飞机上共配置以上9种敏感器30套，共40个。,10.2.2 航天飞机系统的执行机构 1主发动机和外储箱 航天飞机的主发动机采用的是当今世界上最先进的高压补燃氢氧发动机。航天飞机的主发动机是一种可重复使用的、高性能、可调节推力的液体推进剂火箭发动机，它为航天飞机提供主要推力。每一架航天飞机上装有三台主发动机，发动机的结构完全一样，它们的配置位置如图10.2所示，位于轨道器的尾部。为了严格监控三台主发动机的工作状态并调节其推力的大小和方向，每台主发动机都有一套可整体更换的发动机电子控制器，其中包括两台相同

13、的互作备份的数字计算机。,它能自动完成发动机起飞前的飞行准备检验，在轨道器上执行发动机测试、启动和关机等功能，能对发动机的温度和压力等性能参数进行监控，并以闭环方式对主发动机的推力、混合比(推进剂油门)和推力方向(喷管摇摆框架)进行调节。 外储箱用来储存液氢液氧推进剂。它是航天飞机上最大的一个部件，也是迄今为止最大的推进剂储箱，长47.1 m，直径8.64 m，共装推进剂700t多。外储箱在航天飞机主发动机关闭时，尚未达到轨道速度，即与航天飞机分离，然后沿着一条弹道再入路线坠毁并在海上安全散落。,航天飞机的三台主发动机和一个外储箱构成了主发动机系统，结构如图103所示。 图103 航天飞机主发

14、动机系统,2固体火箭助推器 航天飞机主发动机及其外储箱推进系统，虽然具有强大的推力，但还不足以使整个航天飞机系统飞离发射台并升人空中，还必须借助辅助的推进装置并提供更多的推力，以便共同把航天飞机系统推向高空。航天飞机系统所采用的辅助推进装置，就是固体火箭助推器，其主要部件是固体火箭发动机。 航天飞机系统上配置了两台固体助推火箭，这是迄今为止世界上最大和最重的固体火箭发动机。这两台助推器的结构完全一样，是细长形圆柱体结构。,每台固体助推器均由固体火箭发动机、推力矢量控制系统、分离、回收、自爆安全、电子设备、推力终止、故障检测等分系统以及头锥、前段、尾裙、支撑等结构组成。 两台固体火箭助推器是与航

15、天飞机主发动机几乎同时工作的，与主发动机平行燃烧，以提供最初的上升推力，两分钟后依靠分离系统与航天飞机及其外储箱在50 km高空同时分离。 每台助推器装有一套回收系统，它由引导伞、助力伞和三顶主降落伞组成。,3轨道机动系统 轨道机动系统的主要功用是为航天飞机提供人轨、轨道运行、变轨、交会和脱离轨道所需要的推力。轨道机动系统的两台液体火箭发动机安装在位于后机身两侧对称的两个外吊舱内。每个吊舱除了一台液体火箭发动机外还包括一个高压氦气瓶、增压储箱用的减压器和控制组件、一个燃料箱、一个氧化剂箱以及相应管路。航天飞机的左右两个外吊舱组成左右两个机动系统，如图10.4所示。每个系统可以携带4,087 k

16、g的燃料和6,743 kg的氧化剂，在真空中产生27,000 N推力。,图104 航天飞机轨道机动系统与反作用控制系统,轨道机动系统的两台发动机均可重复使用100次，可经受1,000次起动和15 h的连续点火，比推力为313 s，氧化剂和燃料的混合比为1.65。两台发动机的结构和工作情况是完全一样的，根据设计要求，当左、右舱系统中有一个发生故障时，只用另一个系统仍可完成轨道机动任务。 轨道机动系统采用推力矢量控制，发动机喷管装在两轴摆动框架上。控制推力矢量控制的指令由星上控制计算机发出。航天飞机若要进入更高的轨道以完成所需要的各种任务，除了使用左、右舱轨道机动系统外，还可在航天飞机货舱内增设辅助推进装置，但要相应地减少有效载荷的质量。,根据需要，轨道机动系统可增加一至三套辅助推进装置，每套装置可多携带5,625 kg的液体推进剂。 轨道机动系统与航天飞机的另一个执行机构系统，即反作用控制系统的推进剂管路是互连的，可从轨道机动发动机储箱向反作用控制系统提供推进剂，也可在左、右两侧的轨道机动发动机和反作用控制系统