载人飞船控制技术PPT课件.ppt
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1、第九章第九章 载人飞船的控制技术载人飞船的控制技术9.1 载人飞船的结构组成载人飞船的结构组成9.2 载人飞船的制导与控制载人飞船的制导与控制9.3 载人飞船的再入返回控制载人飞船的再入返回控制 载人航天是现代科学技术发展的一个显著标志。载人航天是现代科学技术发展的一个显著标志。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
2、发发展展载载人人航航天天技技术术,有有着着重重要的经济、科学与军事上的需要。要的经济、科学与军事上的需要。目目前前,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等三三类类。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种种载载人人飞飞船船,7 7个个“礼礼炮号炮号”第九章第九章 载人飞船的控制技术载人飞船的控制技术 空空间间站站和和1 1个个“和和平平号号”空空间间站站。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 3种种载载人
3、人飞飞船船和和1 1个个“天天空空实实验验室室”空空间间站站。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”试试验飞船验飞船也已经两次发射成功。也已经两次发射成功。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,继继美美国国航航天天飞飞机机之之后后,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美国航天飞机的似美国航天飞机的无人航天飞机无人航天飞
4、机“暴风雪号暴风雪号”。本本章章简简要要介介绍绍载载人人飞飞船船的的基基本本结结构构,以以及及导导航航、制制导与控制的基本原理。导与控制的基本原理。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。9.1 载人飞船的结构组成载人飞船的结构组成联盟号载人飞船 载人飞船曾在人类遨
5、游宇宙、突破载人航天方面载人飞船曾在人类遨游宇宙、突破载人航天方面起到了历史性的里程碑作用。后来前苏联用它为起到了历史性的里程碑作用。后来前苏联用它为“礼礼炮号炮号”空间站和空间站和“和平号和平号”空间站接送航天员以及运空间站接送航天员以及运送部分物资。未来载人飞船还将成为空间站和空间基送部分物资。未来载人飞船还将成为空间站和空间基地的轨道救生艇。地的轨道救生艇。总之,航天器上载人将从根本上改变它的外形、总之,航天器上载人将从根本上改变它的外形、结构特性设计和制作的方法,这是因为必须保障人在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一切。航天飞行条件下生活和工
6、作所需的一切。阿波罗载人飞船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,必必须须对对飞飞船船实实施施制制动动使使其其进进入入返返回回轨轨道道。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,它它的执行机构系统、供电系统等。的执行机构系统、供电系统等。载载人人飞飞船船返返回
7、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和着着陆陆系系统统。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精确确性性以以及及乘乘员员所所能能承承受的过载。受的过载。飞飞船船再再人人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“东东方方号号”飞飞船船,它它的的再再
8、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构简简单单,工工程程上上易易于于实实现现。当当飞飞船船再再入入大大气气层层时时,距距地地面面40 40 kmkm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8 8 g g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是可可以以承承受受的的。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
9、入入大大气气层层,则则其其再再入入峰峰值值减减加加速速度度将将达达到到18 18 g g,航航天天员员就就会会死死亡亡。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,是是早早期载人飞船的理想外形。期载人飞船的理想外形。2 2保证乘员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
10、相应应于于地地球球海海平平面面处处的的自自然然大大气气压压力力及及气气体体成成分分。在在飞飞船船“联联盟盟号号”、“联联盟盟TM”TM”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”飞飞船船中中采采用了降压的纯氧大气。用了降压的纯氧大气。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的动动作作(例例如如全全身身的的伸伸展展)和和相相应应的的飞飞行行任任务务。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
11、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”的的座座舱舱就就宽宽大大得得多多。在在座座舱舱中中应应能能保持正常的温度条保持正常的温度条件,因此座舱也必须有温控系统。件,因此座舱也必须有温控系统。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集器器、卫卫生生设设备备,以以及及为为睡睡眠眠用用的的一一切切设设备备。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作于一个封闭的体积中和失重的条
12、件下。工作于一个封闭的体积中和失重的条件下。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船的的动动作将影响飞船的结构和飞船上的系统。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出方方便便,还要有逃逸口。还要有逃逸口。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他他载载人人飞飞船船的的联联系系。因因此此,飞飞船船的
13、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再入入着着陆陆的的地地面面情情况况等等等等。“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,点点燃返回发动机,再入大气层获得了成功。燃返回发动机,再入大气层获得了成功。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
14、大量量船船载载设设备单元进行工作,如生命保障系统的一些设备、乘员装备单元进行工作,如生命保障系统的一些设备、乘员装备备、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地分分辨辨仪仪表表的的读读数数。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算机机键键盘盘和和一一些些重重要要的的开开关关与与手手柄柄。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用罩罩子子盖盖起起来来,防防止止失失误
15、误动动作作造造成成事事故故。飞船操作手柄和飞机上的方向舵脚蹬不同。飞船操作手柄和飞机上的方向舵脚蹬不同。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上应应有有密密封盖和监视对接密封系统。如果考虑人出舱到开敞的封盖和监视对接密封系统。如果考虑人出舱到开敞的宇宇宙宙空空间间的的问问题题,则则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务系统,而飞船本身应有闸门舱。服务系统,而飞船本身应有闸门舱。总总之之,随随着着飞飞行行阶阶段段的的改改变变,各各种种不不同同的的因因素
16、素将将作作用用于于航航天天员员。设设计计载载人人飞飞船船的的一一个个主主要要任任务务就就是是防防止止或或降降低低这这些些因因素素对对乘乘员员的的作作用用,也也就就是是保保证证宇宇宙宙飞飞行行的的承承受条件。受条件。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时具具有有重重要要的的作作用用。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出顺利完成任务的概率或是完成飞行计划的可靠性,尔后顺利完成任务的概率或是完成飞行计划的可靠性,尔后要要做做出出证证实实;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
17、保证证乘乘员员安安全全的的概概率率或或是是飞飞行行安安全全度度。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。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救生生设设备备,装装配配备备份份仪仪表表和和机件等。
18、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,这是载人航天器提出的尤为突出的要求和特点。这是载人航天器提出的尤为突出的要求和特点。9.1.2 9.1.2 几种载人飞船的主要构造几种载人飞船的主要构造 目目前前,世世界界上上已已有有的的载载人人飞飞船船均均是是由由前前苏苏联联和和美美国国研研制制、发发射射的的。下下面面通通过过这这些些具具体体的的例例子子来来进进一一步步说明载人飞船的构造特征。说明载人飞船的构造特征。双子星座载人飞船双子星座载人飞船1 1前苏联的载人飞船前苏联的载人飞船 至至今今,前前苏苏联联发发展展和和研研制制的的载载人人飞飞船
19、船有有“东东方方号号”、“上上升升号号”、“联联盟盟号号”3 3种种。为为配配合合载载人人空空间间飞飞行行,前前苏联还研制了一次性的自动运输飞船苏联还研制了一次性的自动运输飞船“进步号进步号”。(1)(1)“东东方方号号”载载人人飞飞船船:该该系系列列的的载载人人飞飞行行系系统统是是前前苏苏联联的的早早期期载载人人飞飞船船,在在1961196119631963年年间间共共发发射射6 6次次。19611961年年4 4月月,发发射射了了“东东方方l l号号”载载人人飞飞船船,成成功功地地把把航航天天员员加加加加林林送送入入了了近近地地飞飞行行轨轨道道,飞飞行行108 108 minmin后后,安
20、安全全着着陆,完成了人类的第一次载人空间飞行。陆,完成了人类的第一次载人空间飞行。“东东方方号号”飞飞船船是是由由再再人人舱舱及及设设备备舱舱两两部部分分组组成成(见见图图9.19.1)。这这两两部部分分由由爆爆炸炸锁锁锁锁住住的的四四根根可可系系紧紧的的钢钢带带连连结。整个飞船的质量约为结。整个飞船的质量约为4.73 t4.73 t。再再入入舱舱亦亦为为航航天天员员座座舱舱,是是一一个个直直径径为为2.3 2.3 m m的的球球体体,上上面面覆覆盖盖有有防防热热层层,它它的的质质量量是是2.4 2.4 t t。设设备备舱舱是是一一个个周周围围装装有有许许多多球球形形容容器器的的双双锥锥结结构
21、构。在在设设备备舱舱内内装装有有轨轨道道飞飞行行时时所所需需要要的的系系统统和和设设备备,如如电电源源和和压压缩缩气气瓶瓶等等。其其中中还还装装有有制制动动火火箭箭发发动动机机,用用来来使使飞飞船船制制动动而而脱脱离离轨轨道道。发发动动机机工工作作完完毕毕后后,进进行行舱舱段段分分离离,设设备备舱舱及及其其用用过过的的制制动动火火箭箭发发动动机机在在稠稠密密大大气气中中烧烧毁毁,而而再再入入舱舱安安全全返返回回地面。地面。在在发发射射过过程程中中,整整个个飞飞船船安安装装在在运运载载火火箭箭头头部部整整流流罩罩内内,以以防防止止发发射射环环境境对对飞飞船船的的影影响响。当当飞飞船船座座舱舱返返
22、回回地地球球到到达达低低空空的的时时候候,航航天天员员乘乘坐坐弹弹射射座座椅椅离离开开飞飞船船座座舱,乘降落伞单独着陆。舱,乘降落伞单独着陆。(2)(2)“上上升升号号”载载人人飞飞船船:“上上升升号号”飞飞船船基基本本上上是是“东东方方号号”飞飞船船的的改改型型,其其构构造造特特征征与与“东东方方号号”飞飞船船类类似似。在在座座舱舱外外增增设设了了气气密密过过渡渡舱舱或或称称闸闸门门舱舱,以以便便进进行行舱舱外外活活动动。由由于于航航天天员员增增至至2 2到到3 3人人,从从容容积积上上考考虑虑取取消消了了座座舱舱内内的的弹弹射射座座椅椅,而而用用普普通通座座椅椅代代替替。此此外外,还还增加
23、了着陆火箭,用于着陆时进一步降低飞船速度。增加了着陆火箭,用于着陆时进一步降低飞船速度。(3)(3)“联联盟盟号号”载载人人飞飞船船:在在“上上升升号号”飞飞船船结结束束飞飞行行后后,前前苏苏联联的的载载人人空空间间飞飞行行停停顿顿了了两两年年。至至19671967年年4 4月月,前苏联开始发射前苏联开始发射“联盟号联盟号”飞船,至今已发射了数十艘。飞船,至今已发射了数十艘。“联联盟盟号号”飞飞船船是是苏苏联联的的第第三三代代载载人人飞飞船船,它它已已改改型型两两次次,分分别别称称“联联盟盟T”T”和和“联联盟盟TM”TM”。“联联盟盟号号”系系列飞船高列飞船高7.48 m7.48 m,最大直
24、径约最大直径约2.72 m2.72 m,总质量为总质量为6.8 t6.8 t,由由球球形形轨轨道道舱舱、钟钟形形再再人人舱舱和和圆圆柱柱形形服服务务舱舱等等三三个个舱段组成,如图舱段组成,如图9.29.2所示。所示。图9.2 “联盟号”载人飞船2 2美国的载人飞船美国的载人飞船 美美国国的的载载人人飞飞船船有有三三种种,分分别别是是“水水星星”、“双双子子星座星座”和和“阿波罗阿波罗”飞船飞船。(1)(1)“水水星星”载载人人飞飞船船:“水水星星”飞飞船船是是美美国国的的第第一一代载人飞船,从代载人飞船,从1961196119631963年间进行了年间进行了6 6次飞行。次飞行。飞飞船船的的球
25、球面面形形底底部部外外壳壳有有烧烧蚀蚀防防热热层层,底底部部上上面面的的锥锥形形部部分分是是座座舱舱。座座舱舱外外表表面面有有辐辐射射防防热热结结构构,内内部部有有一一个个载载人人密密封封压压力力舱舱。座座舱舱内内安安装装有有环环境境控控制制系系统统,电电源源系系统统及及其其他他有有关关系系统统和和设设备备,此此外外还还有有必必要要的的仪仪表表显显示示及及操操纵纵装装置置。座座舱舱上上面面的的圆圆柱柱部部分分是是回回收收舱舱,舱舱内内主主要包含有降落伞系统,外表面为金属铍。顶部截锥是天要包含有降落伞系统,外表面为金属铍。顶部截锥是天线线舱舱,除除天天线线外外还还装装有有稳稳定定伞伞及及红红外外
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