第4章9宇宙飞行.ppt

7414.9 宇宙飞行与自动化宇宙飞行与自动化742主要内容主要内容l 载人航天与载人航天与“神舟七号神舟七号”飞船飞船l 航天系统概述航天系统概述 l 航天发射场与运载火箭航天发射场与运载火箭 l 航天器控制技术航天器控制技术 l 航天测控网航天测控网 l 航天飞行的发展历程及航天飞行的发展历程及展望展望 743一、载人航天与一、载人航天与“神舟七号神舟七号”飞船飞船 载人航天最能充分展示一个国家的综合国力，载人航天最能充分展示一个国家的综合国力，它是一项庞大的系统工程，包括载人飞船、运载它是一项庞大的系统工程，包括载人飞船、运载火箭、航天员、测控通信网、发射场、着陆场及火箭、航天员、测控通信网、发射场、着陆场及有效载荷等七大系统，涉及自动控制、计算机、有效载荷等七大系统，涉及自动控制、计算机、推进、通信、遥感、测试、力学、天文学、地球推进、通信、遥感、测试、力学、天文学、地球科学、航天医学、空间科学等。科学、航天医学、空间科学等。迄今为止，世界上只有美国、俄罗斯和中国独迄今为止，世界上只有美国、俄罗斯和中国独立开展载人航天活动。立开展载人航天活动。7442008年年9月月25日日21时时10分，分，“神舟七号神舟七号”载载人飞船在酒泉卫星发射中心点火升空人飞船在酒泉卫星发射中心点火升空745“神七神七”飞天飞天示意图示意图746“神舟七号神舟七号”飞船的结构飞船的结构 747748“神七神七”航天员的出舱过程航天员的出舱过程749“神七神七”航天员出舱航天员出舱7410舱外宇航服相当于最小型的载人航天器舱外宇航服相当于最小型的载人航天器 7411美国装有可控喷气装置的舱外航天服美国装有可控喷气装置的舱外航天服7412二、航天系统概述二、航天系统概述 航天飞行航天飞行：又叫宇宙飞行或空间飞行。：又叫宇宙飞行或空间飞行。航天器航天器：在地球大气层以外的宇宙空间运行，执行探：在地球大气层以外的宇宙空间运行，执行探索、开发和利用太空及天体等特定任务的飞行器。索、开发和利用太空及天体等特定任务的飞行器。航天活动航天活动：包括环绕地球运行、飞往月球或其它行星：包括环绕地球运行、飞往月球或其它行星的航行、星际空间的航行等，基本上在太阳系内。的航行、星际空间的航行等，基本上在太阳系内。航天器的种类航天器的种类：一是人造地球卫星和空间探测器等无：一是人造地球卫星和空间探测器等无人航天器，二是载人飞船、空间站和航天飞机等载人人航天器，二是载人飞船、空间站和航天飞机等载人航天器。航天器。7413航天飞行的目的和意义航天飞行的目的和意义l 可实现对空间环境的直接探测，对月球和行星的可实现对空间环境的直接探测，对月球和行星的逼近观测和直接取样观测；逼近观测和直接取样观测；l 环绕地球运行的航天器能高效地收集有关大气、环绕地球运行的航天器能高效地收集有关大气、海洋和陆地的信息，可直接服务于气象观测、军海洋和陆地的信息，可直接服务于气象观测、军事侦察和资源考察等；事侦察和资源考察等；7414l 人造地球卫星作为空间无线电中继站，可实现全人造地球卫星作为空间无线电中继站，可实现全球卫星通信和广播，而作为空间基准点，可以进球卫星通信和广播，而作为空间基准点，可以进行全球卫星导航和大地测量；行全球卫星导航和大地测量；l 利用空间高真空、强辐射和失重等特殊环境，可利用空间高真空、强辐射和失重等特殊环境，可以在航天器上进行各种重要的科学实验研究等。以在航天器上进行各种重要的科学实验研究等。l 航天器在大气层外可以接收到来自宇宙天体的全航天器在大气层外可以接收到来自宇宙天体的全部电磁辐射信息，开辟了全波段天文观测；部电磁辐射信息，开辟了全波段天文观测；7415l 从空间获取信息、材料和能源是发展航天技术从空间获取信息、材料和能源是发展航天技术的长远目标，将主要集中在五个方面：的长远目标，将主要集中在五个方面：进一步提高从空间获取信息和传输信息的能进一步提高从空间获取信息和传输信息的能力，扩大应用范围；力，扩大应用范围；加速试验在空间环境条件下生产新材料和新加速试验在空间环境条件下生产新材料和新产品；产品；探索在空间利用太阳辐射能，提供新能源；探索在空间利用太阳辐射能，提供新能源；了解地球、太阳系的起源、演变、现状和变了解地球、太阳系的起源、演变、现状和变化趋势；化趋势；探索生命的起源和演变、外星球生命存在的探索生命的起源和演变、外星球生命存在的迹象、人类在其他星球上生存的可能性等。迹象、人类在其他星球上生存的可能性等。7416航天系统的组成航天系统的组成 航天系统由航天器、航天系统由航天器、航天运输系统、航天航天运输系统、航天器发射场、航天测控器发射场、航天测控网、航天应用系统组网、航天应用系统组成，是典型的复杂大成，是典型的复杂大系统，航天系统的正系统，航天系统的正常运行必然离不开检常运行必然离不开检测、通信、控制等自测、通信、控制等自动化技术。动化技术。7417 航天器航天器 基本构成包括专用系统和保障系统；基本构成包括专用系统和保障系统；专用系统用于执行特定的航天任务，如天文卫专用系统用于执行特定的航天任务，如天文卫星的天文望远镜，侦察卫星的照相机、摄像机或星的天文望远镜，侦察卫星的照相机、摄像机或无线电接收机，通信卫星的转发器和通信天线，无线电接收机，通信卫星的转发器和通信天线，导航卫星的双频发射机、高精度振荡器或原子钟导航卫星的双频发射机、高精度振荡器或原子钟等；等；保障系统用于保障专用系统的正常工作，一般保障系统用于保障专用系统的正常工作，一般包括用于支承的结构系统、电源系统、计算机系包括用于支承的结构系统、电源系统、计算机系统、温度控制系统、姿态控制系统、轨道控制系统、温度控制系统、姿态控制系统、轨道控制系统、无线电测控系统等。统、无线电测控系统等。7418 航天运输系统航天运输系统 分为运载器和运输器两类；把卫星、分为运载器和运输器两类；把卫星、飞船、空间站、空间探测器等送入预定轨道的飞飞船、空间站、空间探测器等送入预定轨道的飞行器称为运载器，通常为运载火箭；为在轨道上行器称为运载器，通常为运载火箭；为在轨道上的航天器运送人员、装备、物资的飞行器称为运的航天器运送人员、装备、物资的飞行器称为运输器；航天飞机兼有运载和运输双重功能，运载输器；航天飞机兼有运载和运输双重功能，运载火箭和飞船可构成一次性使用的运输器。火箭和飞船可构成一次性使用的运输器。航天器发射场航天器发射场 有完整配套的设施，用以装配、贮有完整配套的设施，用以装配、贮存、检测和发射航天器，测量飞行轨道和发送控存、检测和发射航天器，测量飞行轨道和发送控制指令，接收和处理遥测信息等。制指令，接收和处理遥测信息等。7419 航天测控网航天测控网 对航天器和运载器飞行状态进行跟踪对航天器和运载器飞行状态进行跟踪测量并控制其运动和工作状态的专用系统，通常测量并控制其运动和工作状态的专用系统，通常包括时间统一系统、计算机数据和指挥调度系统、包括时间统一系统、计算机数据和指挥调度系统、跟踪测轨系统、遥测遥控系统等，由地面测控站、跟踪测轨系统、遥测遥控系统等，由地面测控站、海上测量船、空中测控飞机和测控卫星等构成。海上测量船、空中测控飞机和测控卫星等构成。航天应用系统航天应用系统 按航天器的不同任务需要而装载的按航天器的不同任务需要而装载的各种专用系统和相应的地面应用系统，也是实现各种专用系统和相应的地面应用系统，也是实现航天技术效益的关键部分，如通信天线系统、光航天技术效益的关键部分，如通信天线系统、光学摄影系统、红外及微波遥感系统、科学探测或学摄影系统、红外及微波遥感系统、科学探测或实验系统、卫星通信地球站、向导航卫星注入导实验系统、卫星通信地球站、向导航卫星注入导航信息的地面无线电发射站等。航信息的地面无线电发射站等。7420三、航天发射场与运载火箭三、航天发射场与运载火箭 1.航天发射场航天发射场 发射场的作用是装配、贮存、检测和发射航天发射场的作用是装配、贮存、检测和发射航天器，测量飞行轨道、发送控制指令、接收和处理器，测量飞行轨道、发送控制指令、接收和处理遥测信息等。遥测信息等。发射场通常由测试区、发射区、发射指挥控制发射场通常由测试区、发射区、发射指挥控制中心、综合测量设施、勤务保障设施和一些管理中心、综合测量设施、勤务保障设施和一些管理服务部门组成。服务部门组成。7421西昌卫星发射中心西昌卫星发射中心7422航天指挥控制中心航天指挥控制中心 7423神七飞船及长征二号神七飞船及长征二号F运载火箭在发射场转运运载火箭在发射场转运7424美国的亚特兰蒂斯号航天飞机在发射场转运美国的亚特兰蒂斯号航天飞机在发射场转运7425发射场的选址发射场的选址 发射场通常选在人口稀少、地势平坦、视野发射场通常选在人口稀少、地势平坦、视野开阔、运输方便、气象条件适宜的低纬度地区。开阔、运输方便、气象条件适宜的低纬度地区。纬度越低，地球离心力越大，发射的有效载纬度越低，地球离心力越大，发射的有效载荷就可以相应地增大，并可缩短从发射点到入荷就可以相应地增大，并可缩短从发射点到入轨点的航程，发射成本会相应地降低。轨点的航程，发射成本会相应地降低。例如，法国建在南美洲北部的圭亚那航天例如，法国建在南美洲北部的圭亚那航天中心（中心（Guiana Space Center），我国在海南），我国在海南省文昌市建设中的省文昌市建设中的“文昌航天发射中心文昌航天发射中心”。74262.运载火箭运载火箭 作用是把卫星、载人飞船、空间站、空间探测器作用是把卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等有效载荷送入预定轨道，一般由等有效载荷送入预定轨道，一般由24级组成，每级组成，每一级都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统。一级都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统。末级有仪器舱，内装制导与控制系统、遥测系统末级有仪器舱，内装制导与控制系统、遥测系统等，有效载荷在仪器舱的上面，外面套有整流罩。等，有效载荷在仪器舱的上面，外面套有整流罩。第一级外围常常捆绑有助推火箭，又称零级火箭，第一级外围常常捆绑有助推火箭，又称零级火箭，其数量根据运载能力的需要来选择，推进剂可以是其数量根据运载能力的需要来选择，推进剂可以是固体或液体的。固体或液体的。7427运运载载火火箭箭的的构构造造7428整整流流罩罩内内的的通通信信卫卫星星7429 运载火箭是一种可控火箭，其控制系统由箭上运载火箭是一种可控火箭，其控制系统由箭上系统和地面系统组成，其中箭上系统叫飞行控制系统和地面系统组成，其中箭上系统叫飞行控制系统，地面系统称为测试发射控制系统。系统，地面系统称为测试发射控制系统。箭上的飞行控制系统用来控制运载火箭的飞行箭上的飞行控制系统用来控制运载火箭的飞行状态，地面的测试发射控制系统主要是检查测试状态，地面的测试发射控制系统主要是检查测试飞行控制系统和其他电气设备，给火箭装入飞行飞行控制系统和其他电气设备，给火箭装入飞行程序和数据，进行精确方位瞄准，并在检查测试程序和数据，进行精确方位瞄准，并在检查测试合格后实施发射点火控制。合格后实施发射点火控制。7430我国的长征系列运载火箭我国的长征系列运载火箭 7431四、航天器控制技术四、航天器控制技术 主要有姿态控制、轨道控制、温度控制等。主要有姿态控制、轨道控制、温度控制等。由于航天器是一个有交叉耦合的多变量复杂系由于航天器是一个有交叉耦合的多变量复杂系统，为了保证控制性能，应用了很多先进的控制统，为了保证控制性能，应用了很多先进的控制理论和技术，包括多变量控制、统计滤波、最优理论和技术，包括多变量控制、统计滤波、最优控制、随机控制、自适应控制、智能控制、大系控制、随机控制、自适应控制、智能控制、大系统的分解与协调控制等。统的分解与协调控制等。74321.航天器姿态控制航天器姿态控制 航天器为了完成所承担的任务，必须具有一定航天器为了完成所承担的任务，必须具有一定的姿态，如对地观测卫星的照相机或者其他遥感的姿态，如对地观测卫星的照相机或者其他遥感器要对准地面、通信卫星和广播卫星的天线要对器要对