哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第8课-载人飞船技术课件

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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 载载人人航航天天是是现现代代科科学学技技术术发发展展的的一一个个显显著著标标志。志。 自自19611961年年4 4月月世世界界上上第第一一艘艘载载人人飞飞船船“东东方方号号”上上天天以以来来，已已有有4040年年的的历历史史了了。在在此

2、此期期间间，世世界界各各国国为为发发展展载载人人航航天天技技术术，投投入入了了巨巨大大的的人人力力和和物物力力，实实施施了了一一个个又又一一个个载载人人航航天天计计划划。发发展展载载人人航航天天技技术术，有有着着重重要要的的经经济济、科科学学与与军军事事上的需要。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 载载人人航航天天器器有有载载人人飞飞船船、航航天天飞飞机机和和空空间间站站等三类。等三类。 从从19611961年年起起到到现现在在，前前苏苏联联已已经经发发射射了了“东东方方号号”、“上上升升号号”、“联联盟盟号号”3 3种种载载人人

3、飞飞船船，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。 与与此此同同时时，美美国国发发射射了了“水水星星”、“双双子子星星座座”、“阿阿波波罗罗”3种种载载人人飞飞船船和和1个个“天天空空实实验验室室”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 目目前前，美美国国、俄俄罗罗斯斯、西西欧欧、日日本本等等还还正正在在联联合合组组建建巨巨大大的的永永久久性性载载人人航航天天器器“国国际际空空间间站站”。 19991999年年1111月月至至今今，我我国国的的“神神舟舟号号”试试验验飞飞船也已经多次发

4、射成功。船也已经多次发射成功。 19811981年年4 4月月，美美国国发发射射成成功功可可重重复复使使用用的的航航天天飞飞机机。前前苏苏联联于于19881988年年1111月月也也发发射射了了类类似似美美国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 载载人人飞飞船船是是一一种种载载人人的的小小型型航航天天器器，它它的的构构造造要要比比人人造造卫卫星星的的构构造造复复杂杂得得多多。载载人人飞飞船船除除了了具具有有类类似似人人造造卫卫星星的的结结构构系系统统、姿姿态态控控制制等等设设

5、备备之之外外，为为了了保保证证航航天天员员在在飞飞行行过过程程中中正正常常的的生生活活和和工工作作，还还有有许多特殊的设施。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联盟盟号号载载人人飞飞船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，使座舱里保要很好的密封，使座舱里保持足够的持足够的氧气氧气、一定的、一定的压力压力和适当的和适当的温度温度，还，还要为航天员准备足够的要为航天员准备足够的水和食物水和食物等。等。总之，航天器上载人将从根本上改变它的外总之，航天器上载人将从根本上改变它的外形、结构

6、特性设计和制作的方法，这是因为必形、结构特性设计和制作的方法，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须保障人在航天飞行条件下生活和工作所需的一切。一切。阿阿波波罗罗载载人人飞飞船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 返返回回地地球球是是每每个个载载人人飞飞船船所所必必须须完完成成的的程程序序。在在完完成

7、成轨轨道道飞飞行行任任务务后后，为为完完成成返返回回地地球球的的程程序序，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。 对对于于远远距距离离的的飞飞行行必必须须修修正正返返回回轨轨道道，这这就就要要求求飞飞船船具具有有改改变变轨轨道道的的动动力力装装置置及及一一系系列列其其他他系系统统，例例如如姿姿态态控控制制和和运运动动控控制制系系统统，它它的的执执行行机构系统机构系统、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 载载人人飞飞船船返返回回地地球球时时必必须须有有气气动动加加热热防防护护系系统统和

8、和着陆系统着陆系统。 一一般般返返回回和和乘乘员员的的着着陆陆由由专专门门的的舱舱段段来来完完成成再再入入舱舱，也也称称为为返返回回舱舱或或着着陆陆舱舱。它它本本身身应应具具有有达达到到稳稳定定与与控控制制所所要要求求的的气气动动特特性性的的外外形形，并并且且在在工工作作时时应应保保证证运运动动的的稳稳定定性性、着着陆陆足足够够的的精确性以及乘员所能承受的过载。精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 飞飞船船再再入入舱舱的的外外形形很很简简单单，都都是是无无翼翼的的大大钝钝头头体体。例例如如，前前苏苏联联的的“东

9、东方方号号”飞飞船船，它它的的再再入入舱舱是是球球形形；美美国国的的“水水星星号号”飞飞船船，其其再再入入舱舱形形状状为为钟钟形形。这这种种大大钝钝头头的的无无翼翼式式再再入入舱舱外外形形结结构简单，工程上易于实现。构简单，工程上易于实现。 当当飞飞船船再再入入大大气气层层时时，距距地地面面40km40km左左右右的的高高空空就就急急剧剧减减速速，造造成成的的峰峰值值减减加加速速度度为为8g8g左左右右。这这样样的的减减加加速速度度，对对经经选选拔拔和和训训练练的的航航天天员员来来说说是可以承受的。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

10、天技术 假假如如飞飞船船的的再再入入舱舱不不是是大大钝钝头头，而而像像某某些些返返回回式式卫卫星星以以小小头头向向前前再再入入大大气气层层，则则其其再再入入峰峰值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。 所所以以，无无翼翼式式大大钝钝头头的的再再入入舱舱外外形形，是是早早期期载人飞船的理想外形。载人飞船的理想外形。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

11、生活及活动条件的特点保证乘员生活及活动条件的特点 乘乘员员的的生生活活条条件件只只能能在在宇宇宙宙空空间间的的密密封封舱舱中中得得以以保保证证，为为此此每每个个载载人人飞飞船船均均有有自自己己的的密密封封舱舱，其其中中的的大大气气条条件件应应能能满满足足呼呼吸吸的的需需要要并并经经常常地地更更新新。最最好好的的大大气气压压力力及及气气体体成成分分是是相相应应于于地地球球海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。 在在飞飞船船“联联盟盟号号”、“联联盟盟TMTM”和和空空间间站站“礼礼炮炮号号”中中均均保保持持了了这这个个条条件件，在在“阿阿波波罗罗”飞飞船中采用了降压

12、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 座座舱舱的的体体积积和和尺尺寸寸应应能能使使人人在在其其中中完完成成习习惯惯的动作的动作( (例如全身的伸展例如全身的伸展) )和相应的飞行任务。和相应的飞行任务。 第第一一代代飞飞船船“东东方方号号”、“水水星星”、“上上升升号号”和和“双双子子星星座座”由由于于有有减减轻轻质质量量的的严严格格要要求求，所所以以它它们们的的座座舱舱很很狭狭窄窄，而而“联联盟盟号号”及及“阿阿波波罗罗”的座舱就宽大得多。的座舱就宽大得多。 在在座座舱舱中中应应能能保保持持正正常常的的

13、温温度度条条件件，因因此此座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 人人的的生生活活与与饮饮食食、自自然然需需要要的的排排出出、个个人人的的卫卫生生和和睡睡眠眠紧紧密密联联系系着着，这这就就决决定定了了在在飞飞船船上上必必须须有有足足够够的的食食物物、水水、卫卫生生保保障障、不不同同物物品品的的收收集器、卫生设备，以及为睡眠用的一切设备。集器、卫生设备，以及为睡眠用的一切设备。 所所有有这这些些设设备备应应考考虑虑到到它它们们是是工工作作于于一一个个封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

14、。 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 与与控控制制飞飞船船有有关关的的乘乘员员活活动动以以及及完完成成手手控控飞飞船的动作将影响飞船的结构和飞船上的系统。船的动作将影响飞船的结构和飞船上的系统。 在在座座舱舱结结构构设设计计中中，首首先先要要考考虑虑到到航航天天员员进进出方便出方便，还要有，还要有逃逸口逃逸口。 控控制制载载人人飞飞船船飞飞行行要要有有乘乘员员的的工工作作位位置置。该该位位置置应应合合理理地地安安排排并并能能观观察察到到飞飞船船外外部部的的状状况况，获获得得飞飞船船各各系系统统工工作作信信息息，进进行行与与地地球球及及其其

15、他他载载人飞船的联系。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 飞飞船船的的座座舱舱应应设设有有视视野野开开阔阔的的舷舷窗窗，航航天天员员通通过过舷舷窗窗可可观观察察发发射射前前的的准准备备活活动动，轨轨道道飞飞行行中中交交会会对对接接情情况况，返返回回点点火火时时的的姿姿态态控控制制与与机机动动和和再入着陆的地面情况等等。再入着陆的地面情况等等。 “水水星星9 9号号”的的航航天天员员，在在飞飞船船自自动动控控制制系系统统失失灵灵的的紧紧急急情情况况下下，就就是是通通过过舷舷窗窗观观察察地地平平线线，手手控控飞飞船船姿姿态态，点点

16、燃燃返返回回发发动动机机，再再入入大大气气层层获获得了成功。得了成功。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_ _载人航天技术载人航天技术 在在飞飞行行过过程程中中，航航天天员员将将操操作作座座舱舱内内的的大大量量船船载载设设备备单单元元进进行行工工作作，如如生生命命保保障障系系统统的的一一些些设设备备、乘乘员员装装备备、手手动动机机构构和和科科学学仪仪表表等等。座座舱舱内内柔柔和和的的光光线线和和明明亮亮的的照照度度，使使航航天天员员可可以以清清楚楚地分辨仪表的读数。地分辨仪表的读数。 座座舱舱内内除除显显示示仪仪表表外外，还还有有航航天天员员操操作作的的计计算机键盘算机

17、键盘和一些重要的和一些重要的开关与手柄开关与手柄。 其其中中关关键键的的按按钮钮开开关关如如“返返回回火火箭箭点点火火”、“舱舱段段分分离离”、“弹弹射射”、“开开伞伞”等等开开关关必必须须用罩子盖起来，防止失误动作造成事故。用罩子盖起来，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 对对于于进进行行航航天天员员交交换换的的飞飞行行，飞飞船船必必须须具具有有刚刚性性的的对对接接机机构构以以及及密密封封的的过过渡渡通通道道，对对接接机机构构上应有密封盖和监视对接密封系统。上应有密封盖和监视对接密封系统。 考考虑虑人人出出舱舱到到开

18、开敞敞的的宇宇宙宙空空间间的的问问题题，在在飞飞船船上上应应备备有有宇宇宙宙服服及及其其相相应应的的服服务务系系统统，而而飞飞船船本身应有本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 飞飞行行安安全全在在保保证证其其高高可可靠靠性性和和制制造造载载人人飞飞船船时具有重要的作用。时具有重要的作用。 任任何何一一种种航航天天器器在在其其研研制制的的开开始始就就应应给给出

19、出顺顺利利完完成成任任务务的的概概率率或或是是完完成成飞飞行行计计划划的的可可靠靠性性，尔后要做出证实尔后要做出证实. . 而而对对于于载载人人飞飞船船还还应应补补加加上上保保证证乘乘员员安安全全的的概率概率或是或是飞行安全度飞行安全度。 这这两两个个准准则则决决定定了了相相应应的的概概率率，而而一一般般地地，第第一一个个给给出出在在95959898的的水水平平上上，第第二二个个在在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 所所要要求求的的安安全全度度将将影影响响飞飞船船的的外外形形、各各个个系系统统的的性性能能、火火箭箭飞飞

20、船船整整个个系系统统及及飞飞行行图图。除除保保证证可可靠靠性性以以外外，还还要要组组织织系系统统的的职职能能备备份份，如如自自动动工工作作状状况况辅辅以以手手动动操操作作，引引入入专专门门故故障障时时的的乘乘员员救生设备，装配备份仪表和机件等。救生设备，装配备份仪表和机件等。 实实际际上上，飞飞行行安安全全的的特特点点融融于于飞飞船船设设计计的的各各个个方方面面，这这是是载载人人航航天天器器提提出出的的尤尤为为突突出出的的要要求求和特点。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”载人飞船载人飞船为例说明载人飞为例

21、说明载人飞船的构造特征。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船，载人飞船是美国的第三代载人飞船，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，其次载人飞行，其中中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日实日实现的。当时，现的。当时，“阿波罗一阿波罗一11”把美国航天员阿姆把美国航天员阿姆斯特朗和奥尔德林送上月球。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过渡舱外，除救生塔系统和飞船

22、与运载火箭过渡舱外，“阿波罗阿波罗”飞船主要由三部分组成，即指挥舱、飞船主要由三部分组成，即指挥舱、服务舱及登月舱，总质量约为服务舱及登月舱，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，也是整个飞行任是飞船的控制中心，也是整个飞行任务中三名航天员生活和工作的主要舱段，同时也务中三名

23、航天员生活和工作的主要舱段，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，高为指挥舱的形状为一个圆锥体，高为3.53m，底部直径为底部直径为3.93m，质量约，质量约6t。舱内装有环境控。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。制系统、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舱的中央并排着指令长(相当于船长相当于船长)、驾驶员和、驾驶员和飞行工程师等三名航天员的座椅。飞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，三名航天员躺飞船发射和返回地面的时候，三名航天员躺在椅子上，其余时间航天员可以离座活动。在椅子

24、上，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，里层是铝蜂窝结构的压力舱，铝蜂窝外表面通过隔热层与不锈钢蜂的压力舱，铝蜂窝外

25、表面通过隔热层与不锈钢蜂窝结构相连结，不锈钢蜂窝结构外表面覆盖有烧窝结构相连结，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，连接在指挥舱后面。接在指挥舱后面。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，中央是一条通道，周围放的两个上下隔框组成，中央是一条通道，周围放置各种有关系统、设备及容器。置各种

26、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

27、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，两在登月过程中，两名航天员在这里生活和名航天员在这里生活和工作，登月舱上升段就工作，登月舱上升段就成为航天员的一个临时成为航天员的

28、一个临时性探险基地。上升段里性探险基地。上升段里还有还有上升发动机上升发动机，航天，航天员在月面上完成任务后，员在月面上完成任务后，上升发动机使他们飞离上升发动机使他们飞离月面，送回在月球轨道月面，送回在月球轨道上飞行的指挥舱。上飞行的指挥舱。“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，它的结构设计考虑主要是发射时的加速度和的，它的结

29、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，并不受空气动力方面的在月球着陆时的冲击力，并不受空气动力方面的影响。影响。此外，登月舱设计中的一个最大问题是重量此外，登月舱设计中的一个最大问题是重量控制，由于登月舱每增加控制，由于登月舱每增加1kg质量都必须付出整质量都必须付出整个航天器与燃料质量的更惊人的代价。个航天器与燃料质量的更惊人的代价。因此，特别注意保证结构和系统最少的重复因此，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

30、相互联系的分系统来完成的，这就是分系统来完成的，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，处理这些信息，并把它变为飞船推进化诸参数，处理这些信息，并把它变为飞船推进装置的指令。装置的指令。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的功能是使飞船遵循正确的航线飞行，它有控制飞船轨道的能力，也要求有航线飞行，它有控制飞船轨道的能力，也要求有引导救生的能力。引导救生的能力。二、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

31、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，它的功能一段或者手动地或者自动地操纵飞船，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，它也可用作惯性基准的后备系统。统的后援，它也可用作惯性基准的后备系统。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(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

32、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，由地面雷达监视飞船，并将所测得的数据传第一，由地面雷达监视飞船，并将所测得的数据传给地面控制中心的实时计算机处理，计算机将飞船目给地面控制中心的实时计算机处理，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；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，飞船本身的惯性测量仪器测出的飞船第二，飞船本身的惯性测量仪器测出的飞船方向和速度的变化，提供给飞船计算机；方向和速度的变化，提供给飞船计算机；第三，航天员在

33、飞船上进行天体观测所得的第三，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。位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，便飞船计算机在收到这三条渠道的信息后，便与记忆系统储存的预定程序资料相比较，从而向与记忆系统储存的预定程序资料相比较，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。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，即个子系统，即惯性系统，光学系统及计算机系统。惯性系统，光学系统及计算机系

34、统。3个子系统个子系统的每一个在应急期间都应能独立操作，这样，其的每一个在应急期间都应能独立操作，这样，其中一个发生故障将不损坏整个系统。中一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

35、，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“水水星星”飞船的飞船的120，且主要是为了满足导航对准，且主要是为了满足导航对准之间的机动要求。之间的机动要求。“阿波罗阿波罗”飞船具有很大的惯性，如采取飞船具有很大的惯性，如采取“水星水星”飞船的速率，则反作用控制系统的燃料消飞船的速率，则反作用控制系统的燃料消耗将是巨大的。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

36、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。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

37、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与偏航机动并达到一个零滚动与-34俯仰的姿态。在这种姿态下，制动火箭被适当俯仰

38、的姿态。在这种姿态下，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，保持姿态在在制动火箭点火之前，保持姿态在10精度精度内；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，保持姿态在在制动火箭点火时，保持姿态在5精精度内；度内；(5)达到一个俯仰达到一个俯仰1.5的再入姿态，然后保的再入姿态，然后保持这个姿态直到经受到持这个姿态直到经受到0.05g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点散再入滚动速率以便减少落点散布，并且在再入时限制俯仰与偏航速率振荡布，并且在再

39、入时限制俯仰与偏航速率振荡于于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： (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

40、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。

41、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

42、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，尽管航天器人在航天活动中占有重要位置，尽管航天器携带的装置精确、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，但它们不能代替人的思维。储存、处理数据，但它们不能代替人的思维。人的精细观察和操作能力，对意外事件的及人的精细观察和操作能力，对意外事件的及时应变能力，创造性的判断和决策能力，在提高时应变能力，创造性的判断和决策

43、能力，在提高航天器运行的可靠性，提高空间观测和空间操作航天器运行的可靠性，提高空间观测和空间操作的能动性和效率，对地观测目标的识别、科学试的能动性和效率，对地观测目标的识别、科学试验等方面发挥重大作用。验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，是航天技术发展的新行技术相结合的必然产物，是航天技术发展的新台阶，是未来天基系统中基本的载人或有人照料台阶，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

44、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，试验和生研究微重力环境对材料和生物的影响，试验和生产空间产品（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，可以长期上有良好的生命保障系统，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，不只有比较简单的生命保障系统，不能长期载人，但它除能完成许多

45、空间站所能完成能长期载人，但它除能完成许多空间站所能完成的任务之外，还因无人为污染和干扰，姿态稳定的任务之外，还因无人为污染和干扰，姿态稳定性和环境洁净度要比空间站好得多。性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，也可以自空间平台可以做到有人照料飞行，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

46、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过程，它涉及到近期和的设计是一个非常复杂的过程，它涉及到近期和远期任务要求、人在空间站的任务和作用；人远期任务要求、人在空间站的任务和作用；人- -机关系；信息系统；航天成果的利用和新技术发机关系；信息系统；航天成果的利用和新技术发展；空间运输系统能力，太空组装和维修；空间展；空间运输系统能力，太空组装和维修；空间站和空间平台的积木化和分离能力；空间站的增站和空间平

47、台的积木化和分离能力；空间站的增长能力；空间站系统的综合和分析；成本分析、长能力；空间站系统的综合和分析；成本分析、效益分析和风险分析等。效益分析和风险分析等。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：有效载荷、结空间站主要由下列系统组成：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

48、、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 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，国国际空间站由自由号空间站演变而来的，国际空间站计划有际空间站计划有1616个国家：美国、加拿大、空局个国家：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

49、罗斯和巴西参加，是涉及国家最多的大型国际航罗斯和巴西参加，是涉及国家最多的大型国际航天合作项目，也是当代规模最大的航天系统工程。天合作项目，也是当代规模最大的航天系统工程。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

50、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） 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，于站单元，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，外部装有多个对接口。备）、电源、暂存燃料，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.

51、 实验舱实验舱 共有共有6 6个，其中美国个，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、），欧空局一个、日本一个、俄罗斯俄罗斯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，美国个国际标准有效载荷机柜，美国1313个，欧空局和日本各个，欧空局和日本各1010个，俄罗斯研究舱也有个，俄罗斯研究舱也有2020个试验机柜。离心机舱重个试验机柜。离心机舱重10t10t，是一个提供人，是一个提供人造重力的生物医学实验室。造重力的生物医学实验室。

52、JEMJEM有外露平台，用有外露平台，用于与空间环境直接接触的实验，平台上有一个小于与空间环境直接接触的实验，平台上有一个小机械臂用于有效载荷操作。机械臂用于有效载荷操作。COFCOF也有外露平台。也有外露平台。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JEMJEM结构图结构图 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 d. d. 节点舱节点舱 节点舱有节点舱有3 3个：节点个：节点1 1舱是美国提供，节点舱是美国提供，节点2 2舱舱和节点和节点3 3舱由意大利建造。舱由意大利建造。 节点节点1 1舱

53、是一个圆筒形结构，有舱是一个圆筒形结构，有6 6个舱口，用个舱口，用于和其他舱对接。节点于和其他舱对接。节点1 1舱两端各装有一个充压适舱两端各装有一个充压适匹器，一个用作和航天飞机的对接口，一个用作匹器，一个用作和航天飞机的对接口，一个用作与其他舱的连接通道。与其他舱的连接通道。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 节点节点1 1舱将与功能货舱连接，并用作美国实验舱将与功能货舱连接，并用作美国实验舱、居住舱和一个气闸舱之间的通道。节点舱、居住舱和一个气闸舱之间的通道。节点2 2舱用舱用作作COFCOF，JEMJEM，后勤舱，后勤舱(MPLM

54、)(MPLM)以及美国实验舱前端以及美国实验舱前端的通道。节点的通道。节点3 3舱备用，用于扩展空间站规模。舱备用，用于扩展空间站规模。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节点仓节点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 e. 电源系统 空间站所需电源功率，美国、日本和欧空局各舱段分别为33kW、25kW和20kW，俄罗斯舱段为22kW。美国提供安装在主桁架上的4对大型太阳电池翼，输出功率23kW4，和几组360A时的氢镍蓄电池组，俄罗斯科学动力平台（SPP）提供电源25kW。空间飞行器动力

55、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 f. f. 机器人移动服务系统机器人移动服务系统 机器人移动服务系统由加拿大提供，由机器人移动服务系统由加拿大提供，由4 4大大部分组成：遥控机械臂系统（部分组成：遥控机械臂系统（SSRMSSSRMS），臂长），臂长16.78m16.78m，它能在空间搬运，它能在空间搬运125t125t的质量，用于装配、的质量，用于装配、维修和空间站硬件替换；基础系统（维修和空间站硬件替换；基础系统（MBSMBS），包），包括基座、移动运输车、沿主桁架导轨，遥控机械括基座、移动运输车、沿主桁架导轨，遥控机械臂系统可沿导轨方向往返移动和

56、定位；专用灵巧臂系统可沿导轨方向往返移动和定位；专用灵巧机械臂，臂长机械臂，臂长3.66m3.66m，这是一个双臂机器人，用，这是一个双臂机器人，用于舱外活动航天员完成的装配和维修任务；空间于舱外活动航天员完成的装配和维修任务；空间观测系统，用于控制机械臂的一种人工观测系统。观测系统，用于控制机械臂的一种人工观测系统。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 g. g. 其他辅助设备其他辅助设备 如俄罗斯提供的改进型如俄罗斯提供的改进型“联盟联盟TMTM”飞船、飞船、“进步号进步号”货船，欧空局提供的自动转移飞行器货船，欧空局提供的自动转移飞行器（ATVATV）、意大利提供后勤舱（）、意大利提供后勤舱（MPLMMPLM）等用于运）等用于运输人员和货物。输人员和货物。