第4章9宇宙飞行.ppt
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1、74,1,4.9 宇宙飞行与自动化,74,2,主要内容,载人航天与“神舟七号”飞船航天系统概述 航天发射场与运载火箭 航天器控制技术 航天测控网 航天飞行的发展历程及展望,74,3,一、载人航天与“神舟七号”飞船,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、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。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。,74,4,2008年9月25日21时10分,“神舟七号”载人飞船在酒泉卫星发射中心点火升
2、空,74,5,“神七”飞天示意图,74,6,“神舟七号”飞船的结构,74,7,74,8,“神七”航天员的出舱过程,74,9,“神七”航天员出舱,74,10,舱外宇航服相当于最小型的载人航天器,74,11,美国装有可控喷气装置的舱外航天服,74,12,二、航天系统概述,航天飞行:又叫宇宙飞行或空间飞行。航天器: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。航天活动: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。航天器的种类: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航天器。,74,13,航天
3、飞行的目的和意义,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;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、军事侦察和资源考察等;,74,14,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,可以进行全球卫星导航和大地测量;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。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;,74,15,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:进一步提高从空间获取信息和传输信息的
4、能力,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产品;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、现状和变化趋势;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。,74,16,航天系统的组成,航天系统由航天器、航天运输系统、航天器发射场、航天测控网、航天应用系统组成,是典型的复杂大系统,航天系统的正常运行必然离不开检测、通信、控制等自动化技术。,74,17,航天器 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,导航卫星的双频
5、发射机、高精度振荡器或原子钟等;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。,74,18,航天运输系统 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。航天器发射场 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制指令,接收和处理遥测信息等。,74,19,航天测控网 对航天器和运载器
6、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、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 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。,74,20,三、航天发射场与运载火箭,1.航天发射场 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、接收和处理遥测信息等。发射场通常由测试区、发
7、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服务部门组成。,74,21,西昌卫星发射中心,74,22,航天指挥控制中心,74,23,神七飞船及长征二号F运载火箭在发射场转运,74,24,美国的亚特兰蒂斯号航天飞机在发射场转运,74,25,发射场的选址,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。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中心(Guiana Space Center),我国在海南省文昌市建设中的“文昌航天发射中心”。,74,
8、26,2.运载火箭,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24级组成,每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,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。,74,27,运载火箭的构造,74,28,整流罩内的通信卫星,74,29,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,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状态,地面的测试发射控制系统主
9、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。,74,30,我国的长征系列运载火箭,74,31,四、航天器控制技术,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。,74,32,1.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准地球上的服务区、航天器上
10、的太阳能电池帆板要对准太阳等等。我国2007年10月24日发射的“嫦娥一号”探月卫星在绕月飞行时必须保持“三体定向”:大部分科学探测仪器需要对准月面,太阳帆板要对准太阳,数据传输天线要对准地球。,74,33,通信卫星的姿态控制,74,34,74,35,2.航天器轨道控制,航天器都需要按特定的轨迹运动,因此要求对航天器的运行轨道进行控制。航天器的轨道一般由主动飞行段和自由飞行段组成。主动飞行段是航天器变轨发动机的点火段,变轨发动机熄火后是自由飞行段。航天器在脱离运载火箭后便进入自由飞行段,如果要改变它的轨道,就要插入主动飞行段。,74,36,轨道控制的两大类型,一类是轨道转移,涉及较大的轨道变化
11、,例如地球同步卫星的轨道转移、从地球到月球的飞行和星际飞行的中途变轨和航向校正、以及从运行轨道转入返回地球轨道或向其他行星着陆的轨道等。另一类是轨道调整或轨道保持,主要是为了消除轨道较小的偏差,例如通信、广播及中继卫星的位置保持、对地观测卫星的轨道保持、以及卫星网中各卫星之间相对位置的保持等。,74,37,74,38,“嫦娥一号”探月卫星的轨道转移过程,74,39,3.航天器温度控制,航天器工作的温度条件十分严酷,飞行中会受到太阳等行星强烈的热辐射,同时航天器也要向温度仅为4K(即-269)的外太空辐射热量,而航天器的移动速度很快,因而处于一个随时变化的热辐射环境中。例如,航天器朝向和背向太阳
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