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載人航天是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著標(biāo)志。 自1961年4月世界上第一艘載人飛船——“東方號(hào)”上天以來，已有40年的歷史了。在此期間，世界各國(guó)為發(fā)展載人航天技術(shù)，投入了巨大的人力和物力，實(shí)施了一個(gè)又一個(gè)載人航天計(jì)劃。發(fā)展載人航天技術(shù)，有著重要的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)與軍事上的需要。 目前，載人航天器有載人飛船、航天飛機(jī)和空間站等三類。從1961年起到現(xiàn)在，前蘇聯(lián)已經(jīng)發(fā)射了“東方號(hào)”、“上升號(hào)”、“聯(lián)盟號(hào)”3種載人飛船，7個(gè)“禮炮號(hào)” 空間站和1個(gè)“和平號(hào)”空間站。與此同時(shí)，美國(guó)發(fā)射了“水星”、“雙子星座”、“阿波羅”3種載人飛船和1個(gè)“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站。目前，美國(guó)、俄羅斯、西歐、日本等還正在聯(lián)合組建巨大的永久性載人航天器“國(guó)際空間站”。1999年11月至今，我國(guó)的“神舟號(hào)”試驗(yàn)飛船也已經(jīng)兩次發(fā)射成功。 1981年4月，美國(guó)發(fā)射成功可重復(fù)使用的航天飛機(jī)，繼美國(guó)航天飛機(jī)之后，前蘇聯(lián)于1988年11月也發(fā)射了類似美國(guó)航天飛機(jī)的無人航天飛機(jī)“暴風(fēng)雪號(hào)”。 本章簡(jiǎn)要介紹載人飛船的基本結(jié)構(gòu)，以及導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的基本原理。 載人飛船是一種載人的小型航天器，它的構(gòu)造要比人造衛(wèi)星的構(gòu)造復(fù)雜得多。載人飛船除了具有類似人造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、姿態(tài)控制等設(shè)備之外，為了保證航天員在飛行過程中正常的生活和工作，還有許多特殊的設(shè)施。  1．返回地球的特點(diǎn) 返回地球是每個(gè)載人飛船所必須完成的程序。在完成軌道飛行任務(wù)后，為完成返回地球的程序，必須對(duì)飛船實(shí)施制動(dòng)使其進(jìn)入返回軌道。對(duì)于遠(yuǎn)距離的飛行必須修正返回軌道，這就要求飛船具有改變軌道的動(dòng)力裝置及一系列其他系統(tǒng)，例如姿態(tài)控制和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等。 載人飛船返回地球時(shí)必須有氣動(dòng)加熱防護(hù)系統(tǒng)和著陸系統(tǒng)。一般返回和乘員的著陸由專門的艙段來完成——再入艙，也稱為返回艙或著陸艙。它本身應(yīng)具有達(dá)到穩(wěn)定與控制所要求的氣動(dòng)特性的外形，并且在工作時(shí)應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、著陸足夠的精確性以及乘員所能承受的過載。 飛船再人艙的外形很簡(jiǎn)單，都是無翼的大鈍頭體。例如，前蘇聯(lián)的“東方號(hào)”飛船，它的再入艙是球形；美國(guó)的“水星號(hào)”飛船，其再入艙形狀為鐘形。這種大鈍頭的無翼式再入艙外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程上易于實(shí)現(xiàn)。當(dāng)飛船再入大氣層時(shí)，距地面40 km左右的高空就急劇減速，造成的峰值減加速度為8 g左右。這樣的減加速度，對(duì)經(jīng)選拔和訓(xùn)練的航天員來說是可以承受的。假如飛船的再入艙不是大鈍頭，而像某些返回式衛(wèi)星以小頭向前再入大氣層，則其再入峰值減加速度將達(dá)到18 g，航天員就會(huì)死亡。所以，無翼式大鈍頭的再入艙外形，是早期載人飛船的理想外形。 2．保證乘員生活及活動(dòng)條件的特點(diǎn) 乘員的生活條件只能在宇宙空間的密封艙中得以保證，為此每個(gè)載人飛船均有自己的密封艙，其中的大氣條件應(yīng)能滿足呼吸的需要并經(jīng)常地更新。最好的大氣壓力及氣體成分是相應(yīng)于地球海平面處的自然大氣壓力及氣體成分。在飛船“聯(lián)盟號(hào)”、“聯(lián)盟TM”和空間站“禮炮號(hào)”中均保持了這個(gè)條件，在“阿波羅”飛船中采用了降壓的純氧大氣。 座艙的體積和尺寸應(yīng)能使人在其中完成習(xí)慣的動(dòng)作(例如全身的伸展)和相應(yīng)的飛行任務(wù)。第一代飛船“東方號(hào)”、“水星”、“上升號(hào)”和“雙子星座”由于有減輕質(zhì)量的嚴(yán)格要求，所以它們的座艙很狹窄，而“聯(lián)盟號(hào)”及“阿波羅”的座艙就寬大得多。在座艙中應(yīng)能保持正常的溫度條 件，因此座艙也必須有溫控系統(tǒng)。 人的生活與飲食、自然需要的排出、個(gè)人的衛(wèi)生和睡眠緊密聯(lián)系著，這就決定了在飛船上必須有足夠的食物、水、衛(wèi)生保障、不同物品的收集器、衛(wèi)生設(shè)備，以及為睡眠用的一切設(shè)備。所有這些設(shè)備應(yīng)考慮到它們是工作于一個(gè)封閉的體積中和失重的條件下。 與控制飛船有關(guān)的乘員活動(dòng)以及完成手控飛船的動(dòng)作將影響飛船的結(jié)構(gòu)和飛船上的系統(tǒng)。 在座艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先要考慮到航天員進(jìn)出方便，還要有逃逸口。 控制載人飛船飛行要有乘員的工作位置。該位置應(yīng)合理地安排并能觀察到飛船外部的狀況，獲得飛船各系統(tǒng)工作信息，進(jìn)行與地球及其他載人飛船的聯(lián)系。因此，飛船的座艙應(yīng)設(shè)有視野開闊的舷窗，航天員通過舷窗可觀察發(fā)射前的準(zhǔn)備活動(dòng)，軌道飛行中交會(huì)對(duì)接情況，返回點(diǎn)火時(shí)的姿態(tài)控制與機(jī)動(dòng)和再入著陸的地面情況等等。“水星9號(hào)”的航天員，在飛船自動(dòng)控制系統(tǒng)失靈的緊急情況下，就是通過舷窗觀察地平線，手控飛船姿態(tài)，點(diǎn)燃返回發(fā)動(dòng)機(jī)，再入大氣層獲得了成功。 在飛行過程中，航天員將操作座艙內(nèi)的大量船載設(shè)備單元進(jìn)行工作，如生命保障系統(tǒng)的一些設(shè)備、乘員裝 備、手動(dòng)機(jī)構(gòu)和科學(xué)儀表等。座艙內(nèi)柔和的光線和明亮的照度，使航天員可以清楚地分辨儀表的讀數(shù)。座艙內(nèi)除顯示儀表外，還有航天員操作的計(jì)算機(jī)鍵盤和一些重要的開關(guān)與手柄。其中關(guān)鍵的按鈕開關(guān)如“返回火箭點(diǎn)火”、“艙段分離”、“彈射”、“開傘”等開關(guān)必須用罩子蓋起來，防止失誤動(dòng)作造成事故。飛船操作手柄和飛機(jī)上的方向舵腳蹬不同。 對(duì)于進(jìn)行航天員交換的飛行，飛船必須具有剛性的對(duì)接機(jī)構(gòu)以及密封的過渡通道，對(duì)接機(jī)構(gòu)上應(yīng)有密封蓋和監(jiān)視對(duì)接密封系統(tǒng)。如果考慮人出艙到開敞的 宇宙空間的問題，則在飛船上應(yīng)備有宇宙服及其相應(yīng)的服務(wù)系統(tǒng)，而飛船本身應(yīng)有閘門艙。 總之，隨著飛行階段的改變，各種不同的因素將作用于航天員。設(shè)計(jì)載人飛船的一個(gè)主要任務(wù)就是防止或降低這些因素對(duì)乘員的作用，也就是保證宇宙飛行的承受條件。 3．飛行安全的特點(diǎn) 飛行安全在保證其高可靠性和制造載人飛船時(shí)具有重要的作用。任何一種航天器在其研制的開始就應(yīng)給出順利完成任務(wù)的概率或是完成飛行計(jì)劃的可靠性，爾后 要做出證實(shí)；而對(duì)于載人飛船還應(yīng)補(bǔ)加上保證乘員安全的概率或是飛行安全度。這兩個(gè)準(zhǔn)則決定了相應(yīng)的概率，而一般地，第一個(gè)給出在95％～98％的水平上，第二個(gè)在99％以上。 所要求的安全度將影響飛船的外形、各個(gè)系統(tǒng)的性能、火箭飛船整個(gè)系統(tǒng)及飛行圖。除保證可靠性以外，還要組織系統(tǒng)的職能備份，如自動(dòng)工作狀況輔以手動(dòng)操作，引入專門故障時(shí)的乘員救生設(shè)備，裝配備份儀表和機(jī)件等。 實(shí)際上，飛行安全的特點(diǎn)融于飛船設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，這是載人航天器提出的尤為突出的要求和特點(diǎn)。 9.1.2 幾種載人飛船的主要構(gòu)造 目前，世界上已有的載人飛船均是由前蘇聯(lián)和美國(guó)研制、發(fā)射的。下面通過這些具體的例子來進(jìn)一步說明載人飛船的構(gòu)造特征。 1．前蘇聯(lián)的載人飛船 至今，前蘇聯(lián)發(fā)展和研制的載人飛船有“東方號(hào)”、“上升號(hào)”、“聯(lián)盟號(hào)”3種。為配合載人空間飛行，前蘇聯(lián)還研制了一次性的自動(dòng)運(yùn)輸飛船——“進(jìn)步號(hào)”。 (1)“東方號(hào)”載人飛船：該系列的載人飛行系統(tǒng)是前蘇聯(lián)的早期載人飛船，在1961～1963年間共發(fā)射6次。1961年4月，發(fā)射了“東方l號(hào)”載人飛船，成功地把航天員加加林送入了近地飛行軌道，飛行108 min后，安全著陸，完成了人類的第一次載人空間飛行。 “東方號(hào)”飛船是由再人艙及設(shè)備艙兩部分組成(見圖9.1)。這兩部分由爆炸鎖鎖住的四根可系緊的鋼帶連結(jié)。整個(gè)飛船的質(zhì)量約為4.73 t。 再入艙亦為航天員座艙，是一個(gè)直徑為2.3 m的球體，上面覆蓋有防熱層，它的質(zhì)量是2.4 t。設(shè)備艙是一個(gè)周圍裝有許多球形容器的雙錐結(jié)構(gòu)。在設(shè)備艙內(nèi)裝有軌道飛行時(shí)所需要的系統(tǒng)和設(shè)備，如電源和壓縮氣瓶等。其中還裝有制動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，用來使飛船制動(dòng)而脫離軌道。發(fā)動(dòng)機(jī)工作完畢后，進(jìn)行艙段分離，設(shè)備艙及其用過的制動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在稠密大氣中燒毀，而再入艙安全返回地面。 在發(fā)射過程中，整個(gè)飛船安裝在運(yùn)載火箭頭部整流罩內(nèi)，以防止發(fā)射環(huán)境對(duì)飛船的影響。當(dāng)飛船座艙返回地球到達(dá)低空的時(shí)候，航天員乘坐彈射座椅離開飛船座艙，乘降落傘單獨(dú)著陸。 (2)“上升號(hào)”載人飛船：“上升號(hào)”飛船基本上是“東方號(hào)”飛船的改型，其構(gòu)造特征與“東方號(hào)”飛船類似。在座艙外增設(shè)了氣密過渡艙或稱閘門艙，以便進(jìn)行艙外活動(dòng)。由于航天員增至2到3人，從容積上考慮取消了座艙內(nèi)的彈射座椅，而用普通座椅代替。此外，還增加了著陸火箭，用于著陸時(shí)進(jìn)一步降低飛船速度。 (3)“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船：在“上升號(hào)”飛船結(jié)束飛行后，前蘇聯(lián)的載人空間飛行停頓了兩年。至1967年4月，前蘇聯(lián)開始發(fā)射“聯(lián)盟號(hào)”飛船，至今已發(fā)射了數(shù)十艘。 “聯(lián)盟號(hào)”飛船是蘇聯(lián)的第三代載人飛船，它已改型兩次，分別稱“聯(lián)盟T”和“聯(lián)盟TM”。“聯(lián)盟號(hào)”系列飛船高7.48 m，最大直徑約2.72 m，總質(zhì)量為6.8 t， 由球形軌道艙、鐘形再人艙和圓柱形服務(wù)艙等三個(gè)艙段組成，如圖9.2所示。 2．美國(guó)的載人飛船 美國(guó)的載人飛船有三種，分別是“水星”、“雙子星座”和“阿波羅”飛船。 (1)“水星”載人飛船：“水星”飛船是美國(guó)的第一代載人飛船，從1961～1963年間進(jìn)行了6次飛行。 飛船的球面形底部外殼有燒蝕防熱層，底部上面的錐形部分是座艙。座艙外表面有輻射防熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一個(gè)載人密封壓力艙。座艙內(nèi)安裝有環(huán)境控制系統(tǒng)，電源系統(tǒng)及其他有關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備，此外還有必要的儀表顯示及操縱裝置。座艙上面的圓柱部分是回收艙，艙內(nèi)主要包含有降落傘系統(tǒng)，外表面為金屬鈹。頂部截錐是天 線艙，除天線外還裝有穩(wěn)定傘及紅外地平儀。有兩個(gè)供航天員出入的艙口，一個(gè)在飛船的側(cè)面作進(jìn)出用，另一個(gè)通過飛船座艙上面的圓柱體。座艙上還有一個(gè)大舷窗供航天員觀察用。 在球面燒蝕層中心用三條金屬帶固定一個(gè)制動(dòng)包，其中裝有3個(gè)制動(dòng)火箭與3個(gè)分離火箭。在發(fā)射時(shí)，救生塔系統(tǒng)通過夾緊環(huán)固定在飛船回收艙頂部，在正常飛行中飛船飛出大氣層時(shí)就被拋掉。 (2)“雙子星座”載人飛船：“雙子星座”載人飛船是簡(jiǎn)單的“水星”飛船和復(fù)雜的“阿波羅”飛船之間的橋梁。在1965年和1966年中進(jìn)行了10次載人飛行，作了多次軌道交會(huì)和對(duì)接試驗(yàn)，為“阿波羅”飛船載人登月飛行作了準(zhǔn) 備。飛船由座艙和設(shè)備艙組成，其形狀像“水星”飛船，最大直徑3.05 m，高5.74 m，總重量3.3～3.8 t，可乘坐兩名航天員，如圖9.3所示。 圖9.3 美國(guó)“雙子星座”載人飛船 飛船可以分為兩個(gè)大部分，即再入段與過渡段，前者是需要再入回收的部分，后者只在軌道飛行時(shí)利用，再入前將它拋掉。 是一個(gè)整體，成為飛船的一個(gè)空間輻射器，能把座艙內(nèi)的熱量排散到宇宙空間中去，保證座艙內(nèi)有適宜的溫度 (3)“阿波羅”載人飛船：“阿波羅”載人飛船是美國(guó)的第三代載人飛船，從1968年到1972年期間進(jìn)行了11次載人飛行，其中6次登上月球。首次登月是在1969年7月20日實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，“阿波羅-11”把美國(guó)航天員阿姆斯特朗和奧爾德林送上月球。 除救生塔系統(tǒng)和飛船與運(yùn)載火箭過渡艙外，“阿波羅”飛船主要由三部分組成，即指揮艙、服務(wù)艙及登月艙(見圖9.4)，總質(zhì)量約為45t。 圖9.4 “阿波羅”飛船 1-逃逸塔；2-指揮艙；3-服務(wù)艙;4-登月艙 飛船的制導(dǎo)與控制工作是由兩個(gè)相互聯(lián)系的分系統(tǒng)來完成的，這就是導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)和穩(wěn)定與控制系統(tǒng)。這兩個(gè)分系統(tǒng)感測(cè)出姿態(tài)和軌道變化諸參數(shù)，處理這些信息，并把它變?yōu)轱w船推進(jìn)裝置的指令。 導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的功能是使飛船遵循正確的航線飛行，它有控制飛船軌道的能力，也要求有引導(dǎo)救生的能力。 穩(wěn)定和控制系統(tǒng)使航天員能在飛行的各個(gè)階段或者手動(dòng)地或者自動(dòng)地操縱飛船，它的功能一般是進(jìn)行飛船姿態(tài)的控制以及主推進(jìn)裝置點(diǎn)火方向或推力矢量的控制。該分系統(tǒng)的所有控制功能都是導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的后援，它也可用作慣性基準(zhǔn)的后備系統(tǒng)。 9.2.1 飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng) 飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)工作一般可有三條不同的渠道，如圖9.6所示。 第一，由地面雷達(dá)監(jiān)視飛船，并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)傳給地面控制中心的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)將飛船目前的位置與速度由通信系統(tǒng)通知飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)計(jì)算機(jī)； 第二，飛船本身的慣性測(cè)量?jī)x器測(cè)出的飛船方向和速度的變化，提供給飛船計(jì)算機(jī)； 第三，航天員在飛船上進(jìn)行天體觀測(cè)所得的位置與速度數(shù)據(jù)也通過鍵盤輸人飛船計(jì)算機(jī)。 飛船計(jì)算機(jī)在收到這三條渠道的信息后，便與記憶系統(tǒng)儲(chǔ)存的預(yù)定程序資料相比較，從而向飛船發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出校正航線的指令和數(shù)據(jù)。 飛船導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)一般包括3個(gè)子系統(tǒng)，即慣性系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3個(gè)子系統(tǒng)的每一個(gè)在應(yīng)急期間都應(yīng)能獨(dú)立操作，這樣，其中一個(gè)發(fā)生故障將不損壞整個(gè)系統(tǒng)。 (1)慣性測(cè)量系統(tǒng)：對(duì)于不同的飛船其慣性測(cè)量系統(tǒng)是不同的，但其基本慣性導(dǎo)航的原理是一致的。即把加速度計(jì)安裝在由陀螺穩(wěn)定的慣性平臺(tái)上，無論飛船的運(yùn)動(dòng)方向和姿態(tài)如何改變，平臺(tái)始終穩(wěn)定保持在慣性空間中的取向，從而保證加速度計(jì)能夠測(cè)量出飛船相對(duì)于慣性空間的三軸加速度，進(jìn)而積分獲得飛船的飛行速度和位置。本書第八章第8.2節(jié)對(duì)此已詳細(xì)介紹，這里不再重復(fù)。 (2)飛船的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)：該系統(tǒng)的具體形式也是多種多樣的，其中以“阿波羅”飛船的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)最有代表性。這個(gè)系統(tǒng)主要由一個(gè)空間六分儀與一個(gè)掃描望遠(yuǎn)鏡組成，并配以自動(dòng)星跟蹤器和光度計(jì)等。這是一個(gè)由航天員參與的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)或天文導(dǎo)航系統(tǒng)。圖9.7所示的空間六分儀是一個(gè)具有兩條視線的窄視域28倍放大率的儀器。 (3)載人飛船的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：它是整個(gè)導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的心臟。在空間飛行中，為了使由敏感器獲得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生導(dǎo)航或制導(dǎo)信號(hào)，要求在作為指令進(jìn)行顯示與發(fā)送之前對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而后在計(jì)算中應(yīng)用，所有這一切都是在計(jì)算機(jī)中完成的。對(duì)于空間導(dǎo)航和制導(dǎo)而言，計(jì)算量和復(fù)雜性都很大，需要具有巨大存儲(chǔ)能力的相當(dāng)規(guī)模的數(shù)字計(jì)算機(jī)才能滿足要求。因此，近年來在設(shè)計(jì)與制造航天用的小型計(jì)算機(jī)方面所取得的進(jìn)展是令人鼓舞的。 9.2.2 飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)方法 在載人飛船的空間飛行計(jì)劃中，最終的飛行目的是通過一系列中間飛行逐步達(dá)到的。導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的兩個(gè)基本任務(wù)是保持對(duì)飛船位置與速度的精確了解，以及對(duì)過程中需要的改變提供控制指令。本節(jié)并不對(duì)解決導(dǎo)航與制導(dǎo)問題的現(xiàn)有方法作全面的評(píng)述，而只是介紹適用于飛船的一兩種簡(jiǎn)明的方法。 1．導(dǎo)航的計(jì)算方法 確定飛船位置與速度的工作通常指的是導(dǎo)航，很自然地分為兩個(gè)部分——慣性飛行與加速飛行。飛船在慣性飛行延伸期間的方位預(yù)測(cè)同天文學(xué)家預(yù)測(cè)月球與行星位置的問題相類似。它是通過適當(dāng)利用方便的物理量來 測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。例如：①已建立的參考點(diǎn)的距離、速度、仰角與方位角；②已知天體視線間的角；③行星表觀直徑。當(dāng)敏感器接近數(shù)據(jù)源時(shí)，導(dǎo)航測(cè)量會(huì)更精確，因此飛船上與地面上的儀器可起互相補(bǔ)充的作用。 長(zhǎng)距離預(yù)測(cè)能力的提高受幾個(gè)因素影響。首先是解運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)學(xué)方法，除非采用精確的計(jì)算技術(shù)，否則數(shù)值誤差就會(huì)傳播，并使解很快惡化；其次，位置與速度的預(yù)測(cè)精度取決于我們對(duì)太陽系物理特性的知識(shí)；最后，也是最重要的一點(diǎn)，就是初始條件的精度。 為了確保精確的初始條件，就必須利用光學(xué)或雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)飛船位置與速度的估值進(jìn)行周期性地修正。 2．制導(dǎo)的方法 提供控制指令的工作通常稱為制導(dǎo)，可自然地分為兩種類型——較大的與較小的機(jī)動(dòng)。發(fā)射到中間軌道，轉(zhuǎn)移到月球或行星軌道，軌道進(jìn)入與著陸等都屬于較大機(jī)動(dòng)的例子。它們明顯地不同于以中間過程速度修正為代表的較小軌道變化。在每一種情況下，制導(dǎo)問題總是一個(gè)受到諸如燃料消耗、飛船機(jī)動(dòng)性及時(shí)間等條件限制的邊值問題。 在較大推力情況下，制導(dǎo)問題的解要求在飛行中臨界時(shí)間內(nèi)執(zhí)行相對(duì)復(fù)雜的計(jì)算，圓錐曲線軌道可以用來方便地解決許多制導(dǎo)問題。許多較大的軌道轉(zhuǎn)移機(jī)動(dòng)在概念上可以通過一個(gè)單一的推進(jìn)速度變化來完成。對(duì)于這些情況，根據(jù)圓錐曲線軌道可確定一個(gè)瞬時(shí)的應(yīng)增速 度矢量，并且控制飛船使這個(gè)矢量為零。參照?qǐng)D9.9，對(duì)應(yīng)于目前飛船位置 的矢量 定義為滿足一系列預(yù)定飛行目的的期望瞬時(shí)速度， 為目前飛船的速度，那么， 與 之間的速度差 就是瞬時(shí)應(yīng)增速度。 兩種簡(jiǎn)單的制導(dǎo)法則將保證 的所有3個(gè)分量同時(shí)趨于零。 (1)可以將飛船定向，使推力加速度矢量 與 的方向?qū)��?zhǔn)； (2)因?yàn)槟軌驅(qū)С鲆粋�(gè)對(duì) 的時(shí)間變化率(即 )的方便表達(dá)式，所以可以定向 使得 平行于 并且方向相反。假設(shè) 不是足夠大，要對(duì)準(zhǔn) 與 似乎是不可能的，然而使用燃燒時(shí)間相對(duì)短的典型的化學(xué)火箭是不會(huì)遇到困難的。 這兩種方法的組合導(dǎo)致一種高效率的控制法則。從經(jīng)驗(yàn)上來選擇標(biāo)量混合參數(shù) 使得機(jī)動(dòng)時(shí)極大地節(jié)省燃料，對(duì)于特殊的飛行階段一個(gè)常數(shù)值 通常是足夠的；然而，如果需要的話，可以允許它作為某些系統(tǒng)變 變量的函數(shù)而變化。 一個(gè)功能圖表示在圖9.10中，該圖說明了對(duì)于控制目的所要求的誤差信號(hào)的計(jì)算方法。位置、速度及重力矢量的計(jì)算如前面導(dǎo)航部分所述。飛行目的所要求的推進(jìn)速度作為位置矢量的函數(shù)來確定，并用來計(jì)算應(yīng)增速度 。利用前一個(gè)采樣時(shí)間儲(chǔ)存的值，由期望速度矢量的數(shù)值微分法和加速度計(jì)實(shí)際輸出可求出加速度誤差信號(hào)。當(dāng)適當(dāng)?shù)馗淖儽壤龝r(shí)，系統(tǒng)輸出是一個(gè)矢量速率指令，其大小正比實(shí)際加速度矢量與指令推力加速度矢量之間的差，而其方向確定了使這個(gè)誤差為零所要求的飛船旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)應(yīng)增速度 很小時(shí)，接近最后機(jī)動(dòng)并終止矢量積控制，飛船保持一個(gè)不變的姿態(tài)而根據(jù) 矢量大小關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。 9.2.3 飛船的穩(wěn)定與控制 穩(wěn)定與控制系統(tǒng)最基本的要求是在一定的飛行時(shí)間內(nèi)提供飛船繞3個(gè)主軸的姿態(tài)控制。然而，由于載人飛船計(jì)劃的飛行任務(wù)非常特殊，要建立一個(gè)適用于所有情況的一般要求與性能準(zhǔn)則是不可能的。例如，對(duì)“水星”飛船最大的姿態(tài)機(jī)動(dòng)速率高達(dá)12°／s，以便提供高機(jī)動(dòng)性及應(yīng)急情況下的快速反應(yīng)；“阿波羅”飛船最大的姿態(tài)機(jī)動(dòng)速率低于“水星”飛船的1／20，并且主要是為了滿足導(dǎo)航對(duì)準(zhǔn)之間的機(jī)動(dòng)要求。“阿波羅”飛船具有很大的慣性，如采取“水星”飛船的速率，則反作用控制系統(tǒng)的燃料消耗將是巨大的。所以，必須詳細(xì)研究每次飛行任務(wù)與飛船設(shè)計(jì)的特殊要求，然后提供相應(yīng)的穩(wěn)定與控制的措施。 1．穩(wěn)定與控制系統(tǒng) 已用于載人飛船姿態(tài)穩(wěn)定與控制的系統(tǒng)主要有以下幾種。 (1)手動(dòng)一比例系統(tǒng)：手動(dòng)一比例系統(tǒng)由一個(gè)利用機(jī)械連動(dòng)裝置與節(jié)流閥相連接的三軸手動(dòng)控制器組成。通過這些閥供給燃料以產(chǎn)生推力，因而航天器的角加速度本質(zhì)上是與操縱手柄偏轉(zhuǎn)角成比例的，如圖9.11所示。這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)用于軌道飛行任務(wù)的所有階段，并且僅依靠單純目視(無速率與姿態(tài)信息)為成功再入已經(jīng)提供了足夠的控制精度。 手動(dòng)-比例系統(tǒng)的明顯優(yōu)點(diǎn)是完全與電源無關(guān)，而且航天員操縱比例的控制力矩具有抵消連續(xù)的干擾力矩的能力。實(shí)際上這種系統(tǒng)有若干缺點(diǎn)，復(fù)雜的連動(dòng)裝置大大地增加了重量，并且引起在提供相應(yīng)的操縱手柄“感覺’’特性方面的困難；同時(shí)，由于對(duì)飛船上其他的系統(tǒng)，例如主發(fā)動(dòng)機(jī)與制動(dòng)火箭點(diǎn)火，電源是必不可少的，因而提供完全的機(jī)械系統(tǒng)并未得到實(shí)際的好處；加上各種閥對(duì)燃料中的雜質(zhì)較為敏感，而導(dǎo)致刻痕與凝固，所以必須給閥引入一個(gè)重要的死區(qū)非線性特性以便簡(jiǎn)化過濾；此外，由于非線性的引入，加之干擾力矩迅速變化，使得手動(dòng)一比例系統(tǒng)往往工作在開關(guān)方式而不是比例方式。 (2)電傳操縱與最小沖量系統(tǒng)：利用電的方法直接控制反作用發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常稱之為應(yīng)急控制。這里提出的專門 術(shù)語“電傳操縱’’是作為一個(gè)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)提供了操縱飛船的靈活方法。 這種系統(tǒng)正常的機(jī)械操縱是利用三軸手動(dòng)控制器的操縱手柄偏轉(zhuǎn)到某些角度來操縱微動(dòng)開關(guān)，以便把飛船電源的電流直接引入反作用發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁閥。如圖9.12所示，在具有兩級(jí)推力(如“水星”飛船的4.54 N與108.9 N)的反作用控制系統(tǒng)的情況下，譬如說，低推力可以在操縱手柄偏轉(zhuǎn)到30％時(shí)工作，而高推力在操縱手柄偏轉(zhuǎn)到90％時(shí)工作。利用手動(dòng)控制器產(chǎn)生脈沖來獲得速度增量，而不是與正常的手柄偏轉(zhuǎn)角有關(guān)的連續(xù)加速度，從而可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)準(zhǔn)確程度的控制。 (3)速率穩(wěn)定與控制系統(tǒng)：如前面討論的系統(tǒng)那樣，雖然指令輸入是通過手動(dòng)控制器產(chǎn)生的，但是速率穩(wěn)定與控制系統(tǒng)(或速率指令系統(tǒng))可提供自動(dòng)阻尼的能力，因此它屬于半自動(dòng)系統(tǒng)，如圖9.13所示。 裝在飛船體軸上的角速率敏感器的輸出與來自手動(dòng)控制器的比例輸出相加來操作一個(gè)控制反作用控制系統(tǒng)開關(guān)閥的開關(guān)放大器。這種速率指令系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是具有自動(dòng)限制機(jī)動(dòng)速率的能力。當(dāng)燃料消耗與角速率成比例時(shí)，對(duì)于像“阿波羅”這樣很大慣性的飛船，必須限制機(jī)動(dòng)速率小于1°／s。若單純使用手動(dòng)系統(tǒng)就要求航天員不斷集中注意力，以防止過大的機(jī)動(dòng)速率和由此產(chǎn)生的高燃料消耗。 (4)自動(dòng)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)：姿態(tài)控制系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作功能是感測(cè)與致動(dòng)。一般的主動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)是由敏感器、中間控制線路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，經(jīng)過飛船本體閉環(huán)而成的。一個(gè)自動(dòng)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)最基本的方塊圖如圖9.14所示。 2．穩(wěn)定與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 載人飛船穩(wěn)定與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則是： ⑴最小重量； ⑵最小功耗； ⑶最小推進(jìn)劑消耗； ⑷最小體積； ⑸高可靠性。 為了獲得載人飛船穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的要求與設(shè)計(jì)原理方面的初步認(rèn)識(shí)，首先討論“水星”系統(tǒng)，然后簡(jiǎn)略地說明“阿波羅”系統(tǒng)的一些主要要求。 在可靠性方面，為了提高載人飛船穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的可靠性，人們?cè)?ldquo;水星”，“雙子星座”和“阿波羅”等各代載人飛船的航天實(shí)踐中逐漸建立起了下列各項(xiàng)可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： (1)一旦自動(dòng)系統(tǒng)失靈，航天員必須具有安全結(jié)束飛行的能力； (2)只要可能，部件就設(shè)計(jì)成“故障保險(xiǎn)”； (3)非安全部件損壞產(chǎn)生的嚴(yán)重影響，必須能由航天員來消除； (4)只要可能，就采用重復(fù)技術(shù)。 這些準(zhǔn)則在實(shí)際飛船的穩(wěn)定和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了重大影響，并且在航天飛行過程中發(fā)揮了作用。 航天飛行任務(wù)結(jié)束時(shí)，要求載人飛船將航天員安全地送回地球表面。載人飛船是以相當(dāng)高的速度繞地球飛行(大約等于第一宇宙速度)或以更高的速度(超過第一宇宙速率)接近地球。為了使飛船降落在地面上，必須減低它的飛行速度。 載人飛船載人過載要小于10 g，因此再人角要限制在1°～3°的范圍內(nèi)，這依賴于姿態(tài)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的有效工作。 為了達(dá)到這一目的，“水星”載人飛船姿態(tài)控制系統(tǒng)再入返回過程中正�？刂瞥绦蚝托阅芤�求可以概括如下： (1)阻尼飛船與運(yùn)載火箭分離時(shí)產(chǎn)生的飛船姿態(tài)角速率； (2)提供一個(gè)180°偏航機(jī)動(dòng)并達(dá)到一個(gè)零滾動(dòng)與-34°俯仰的姿態(tài)。在這種姿態(tài)下，制動(dòng)火箭被適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)以便于制動(dòng)，而雷達(dá)信標(biāo)的發(fā)射不受到損害； (3)在制動(dòng)火箭點(diǎn)火之前，保持姿態(tài)在±10°精度內(nèi)； (4)在制動(dòng)火箭點(diǎn)火時(shí)，保持姿態(tài)在±5°精度內(nèi)； (5)達(dá)到一個(gè)俯仰1.5°的再入姿態(tài)，然后保持這個(gè)姿態(tài)直到經(jīng)受到O.05 g負(fù)加速度時(shí)為止； (6)提供10°／s再入滾動(dòng)速率以便減少落點(diǎn)散布，并且在再人時(shí)限制俯仰與偏航速率振蕩于2°／s。 圖9.16所示表明對(duì)一個(gè)典型情況，落點(diǎn)散布與制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)飛船姿態(tài)之間的關(guān)系，并且指出要保持較低的落點(diǎn)散布，控制系統(tǒng)精度的重要性。 顯然，可靠地保持制動(dòng)火箭點(diǎn)火時(shí)的飛船姿態(tài)精度對(duì)于飛船成功再入返回而言是至關(guān)重要的。為了保證在各種情況下均能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，提高可靠性，要求一旦載人飛船的自動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)失效，航天員必須具有安全結(jié)束飛行的能力。這一要求由以下措施來保證： (1)通過舷窗與潛望鏡的目視觀察，提供制動(dòng)點(diǎn)火的另外的姿態(tài)參考； (2)通過獨(dú)立于自動(dòng)系統(tǒng)的速率陀螺，提供控制制動(dòng)點(diǎn)火時(shí)的速率信息； (3)通過一套完全備份的反作用控制系統(tǒng)，提供反作用控制力矩來抵消制動(dòng)火箭產(chǎn)生的 干擾與再人時(shí)的氣動(dòng)干擾，而且控制力矩應(yīng)當(dāng)具有較大的設(shè)計(jì)余量。 利用地球大氣層的空氣阻力減速，尚不能使飛船達(dá)到安全著陸的速度。因此，在飛船下降的最后階段，還必須考慮一種專門的系統(tǒng)來達(dá)到此目的，這就是飛船著陸系統(tǒng)的任務(wù)。 著陸系統(tǒng)是飛船的主要系統(tǒng)之一，它關(guān)系到飛船及航天員是否能安全返回地面的問題。選擇載人飛船的著陸系統(tǒng)，主要是取決于可靠性及航天員的安全性。由于正常及應(yīng)急返回地球有許多可能的返回路線，因此也要求著陸系統(tǒng)具有使飛船在陸地和水上著陸的能力。此外，要求系統(tǒng)具有最小的質(zhì)量和體積。 下面以“阿波羅”飛船為例，簡(jiǎn)要地介紹載人飛船的著陸系統(tǒng)。 1．設(shè)計(jì)要求 “阿波羅”飛船著陸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：用降落傘系統(tǒng)回收指揮艙(即再入艙)，在水面上降落；當(dāng)發(fā)射臺(tái)或發(fā)射中發(fā)生事故時(shí)，利用救生塔救生后進(jìn)行回收；要求回收低升阻比鈍頭再入體，其質(zhì)量約為4.5 t，不要求重復(fù)使用飛船；此外，在主傘打開之前，指揮艙還要求再人后穩(wěn)定。 2．系統(tǒng)組成 “阿波羅”飛船著陸系統(tǒng)的組成包括有兩具穩(wěn)定傘(直徑5.03 m，錐角25°的帶條傘，有20根長(zhǎng)10.21 m的傘繩)，三具引導(dǎo)傘(2.2 m直徑環(huán)槽傘)，三具主傘(25.5 m直徑錐形環(huán)帆傘，68根37.74 m的傘繩)，三具主傘的著陸速度為8．54 m／s，而二具主傘的著陸速度為9.26 m／s。此外，還有傘系統(tǒng)的火工品、控制裝置、標(biāo)位裝置及緩沖裝置等。 3．著陸程序 (1)正常返回情況：“阿波羅”飛船在空間完成預(yù)定的飛行任務(wù)后，離開原來的運(yùn)動(dòng)軌道飛向地面，在110 km左右高度開始進(jìn)入大氣層。飛船進(jìn)入稠密大氣層后，由于其本身的氣動(dòng)阻力，使飛船急劇減速。飛船再人大氣層后約12 min，下降到7，000 m高度，此時(shí)降落傘系統(tǒng)開始工作。圖9.17所示表示降落傘系統(tǒng)在正常返回時(shí)的工作程序。 圖9．17 “阿波羅”飛船著陸系統(tǒng)正常返回程序 1-拋掉頂蓋；2-減速傘收縮狀開傘；3-減速傘完全充滿； 4一減速傘脫離，展開引導(dǎo)傘；5-主傘開始充氣；6-主傘收縮狀開傘 7-打開VHF天線及閃光信標(biāo)；8-主傘完全充滿；9-主傘脫離 (2)應(yīng)急返回情況：“阿波羅”飛船在發(fā)射臺(tái)上或飛行過程中如果發(fā)生應(yīng)急情況，應(yīng)該立即采取應(yīng)急措施，使座艙內(nèi)的航天員盡快地脫離危險(xiǎn)區(qū)，并安全著陸。根據(jù)發(fā)生應(yīng)急情況時(shí)的高度不同，采用的應(yīng)急返回工作程序也有所不同。將飛船從發(fā)射臺(tái)到人軌的主動(dòng)段飛行過程分為3個(gè)階段，即低空應(yīng)急返回、低高空應(yīng)急返回、高高空應(yīng)急返回。低高空和高高空應(yīng)急返回情況對(duì)于降落傘系統(tǒng)來說與正常返回情況相同，沒有特殊的技術(shù)要求；而低空應(yīng)急返回情況，特別是發(fā)射臺(tái)零速度應(yīng)急情況，由于開傘高度和速度都很低，構(gòu)成了降落傘系統(tǒng)工作范圍的下限，必須有一套應(yīng)急措施。圖9.18表示利用救生塔的低空應(yīng)急返回工作程序。 圖9.18 “阿波羅”飛船著陸系統(tǒng)應(yīng)急返回程序(發(fā)射臺(tái)至9，144 m)ScB紅軟基地

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