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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
12、的两面可以产生200300以上的温差，而航天器的返回舱在重返大气层时则要经历-200以下到数千乃至上万度的温度变化。,74,40,航天器温度控制又称为航天器热控制，可分为被动式和主动式两类。被动式热控制是依靠选取不同的热控材料和合理的总装布局来处理航天器内外的热交换过程，使各部分温度不超出允许范围。主动式热控制是通过控制装置自动调节航天器内部设备的温度，使其保持在规定的范围之内。例如，通过电动百叶窗自动改变热辐射率来调整温度，通过可变热导的热管将内部的热量通过传导的方式散至外壳表面并排向宇宙空间，通过控制电加热器来进行自动加热等。,74,41,五、航天测控网,人类已先后将各种卫星、飞船、航天飞
13、机和空间站等5000多个航天器送入太空，而且都能按照自己的轨道飞行，偶尔偏离轨道，也能很快“迷途知返”，这主要依靠庞大的航天测控网。航天测控网是对航天器飞行状态进行跟踪测量，并控制其运动和工作状态的系统，通常由航天控制中心、若干航天测控站（包括测控船、测控车、测控飞机、测控卫星等）以及航天器上的测控系统组成，配备有精密跟踪雷达、光学跟踪望远镜、多普勒测速仪、遥测解调器、遥控发射机、电子计算机、通信设备等。,74,42,西安航天测控中心及其移动测控设备,74,43,我国新型的“远望六号”航天测控船,74,44,“远望六号”测控船上的测控通信系统,74,45,测控卫星,74,46,航天测控网的发展
14、趋势,美国和前苏联以前追求全球布站，后来都将重点转向发射通信卫星和中继卫星上，建立天基测控网，以减少地面台、站的数量，完善测控手段。卫星在太空中“站得高、看得远”，具有其它测控方式无可比拟的优势，其使用大大拓展了航天测控网的覆盖范围。目前，美国、欧盟和日本都在发展新一代跟踪与数据中继卫星系统，通信频段不断扩展，传输速率越来越高。,74,47,六、航天飞行的发展历程及展望,几十年来，在探索太空的征程中，世界各国先后研制出100多种运载火箭，修建了数十个大型航天发射场，建立了完善的航天测控网，并发射了各类航天器5000多个，其中包括4000多个各类卫星、100多个载人航天器、接近200个空间探测器
15、等。开展航天飞行的国家有美国、前苏联、加拿大、中国、意大利、澳大利亚、德国、日本、荷兰、西班牙、印度等，但早期主要以美国和前苏联为主，相互之间既竞争，又合作，至今美国和俄罗斯仍居领先地位。,74,48,1.人造地球卫星,航天飞行的历史是从人造地球卫星开始的，前苏联1957年发射了世界上第一颗人造卫星，美国是1958年发射，其他国家也相继发射了其各自的，法国是1965年，日本是1970年，中国的“东方红1号”是1970年4月24日。目前在轨运行的人造卫星已达800多颗，其中美国拥有有400多颗，超过其他国家的总和。人造卫星主要有科学卫星、技术试验卫星和应用卫星，应用卫星的种类最多，数量最大，和我
16、们的关系最为密切，包括通信、气象、侦察、导航、测绘、资源调查等种类。,74,49,2.载人飞船,前苏联于1961年4月12日发射了人类第一艘载人飞船，绕地球一周并安全返回地面；美国也不甘落后，于1962年2月20日发射了第一艘载人飞船。后来还实现了宇航员出舱行走、载人飞船的交会与对接，两国飞船的联合对接等。我国1999年才开始发射“神舟”飞船，但充分借鉴了其他国家的成功经验，在技术上已达到国际先进水平。目前，美国和俄罗斯正在进行载人火星飞行的计划，二、三十年以后，人类就可能登上火星。,74,50,美国早期的脐带式太空行走,74,51,无脐带太空行走中已机动到远处的美国宇航员,74,52,俄罗斯
17、“联盟”号飞船的结构,74,53,74,54,“阿波罗”载人登月计划,1961年5月，美国正式开始实施“阿波罗”计划；1968年10月，“阿波罗7号”载人飞船先进行了绕地球飞行；1968年12月，“阿波罗8号”实现了世界上首次绕月飞行，并向地球发回电视图像；1969年7月16日发射了“阿波罗11号”飞船，第一次把人送上月球，航天员阿姆斯特朗在将左脚踏到月球上时说出了一句名言：“这对一个人来说，只不过是小小的一步，可是对人类来讲，却是巨大的一步”。,74,55,“阿波罗11号”登月飞船发射升空,74,56,阿姆斯特朗1969年成功登月,74,57,3.航天飞机,为使航天运输工具可重复使用，美国在
18、1972年开始研制航天飞机（Space Shuttle），并于1981年成功发射了“哥伦比亚号”。航天飞机是一种垂直起飞、水平降落的载人航天器，像火箭那样垂直发射进入空间轨道，像飞船那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆。目前航天飞机已进行了数十次飞行，完成了太空施放卫星、搭载空间站的材料和设备到太空轨道、发射宇宙探测器、安装空间望远镜、卫星的空间回收和空间修理等一系列活动。,74,58,航天飞机的构成,74,59,正在发射的航天飞机,74,60,正在降落的航天飞机,74,61,4.发展中的新型航天运输工具,航天飞机存在安全性差和成本高等缺点，有多个国家正在发展新一代的航天运输工
19、具。例如，美国正在研制的“乘员探索飞行器”，其运载火箭的有效荷载可达100吨，约为航天飞机的56倍，可以搭载航天员及物质设备前往空间站、月球和火星，计划2014年实施载人飞行。俄罗斯的新型飞船“快船”将成为世界上第一种可重复使用的飞船，首次载人飞行2012年进行。,74,62,俄罗斯可重复使用的新型飞船“快船”,74,63,空天飞机,空天飞机是航空航天飞机的简称，集飞机、运载器、航天器等多重功能于一身，既能在大气层内作高超音速飞行，又能进入太空轨道运行，还可以像普通飞机一样水平起飞和降落。空天飞机的奥妙之处在于它混合配置的动力装置，安装有涡轮喷气发动机、冲压发动机和火箭发动机。涡轮喷气发动机可
20、以使空天飞机水平起飞；速度超过2400公里小时，就使用冲压发动机，可在离地面约6万米的大气层内以3万公里小时的速度飞行；,74,64,如果再用火箭发动机加速，空天飞机就会冲出大气层，像航天飞机一样，直接进入太空轨道；返回大气层后，它又能像普通飞机一样在机场着陆，成为自由往返天地间的输送工具。空天飞机将成为21世纪各国控制空间、争夺制天权的关键装备，世界上越来越多的国家提出了各自的空天飞机计划，我国也一直在开展这方面的研究，并有可能在2010年进行首度试验。,74,65,美国X系列试验飞行器中的空天飞机,74,66,5.空间站,空间站又称为轨道站或航天站，是一种大型载人航天器，如同一艘不落的“航
21、天母舰”，可供多名航天员巡访、居住和工作。空间站通常由对接舱、轨道舱、服务舱、生活舱等组成，航天员的替换和物资设备的补充由载人飞船、货运飞船或航天飞机完成。1971年苏联发射了世界上第一个载人空间站“礼炮1号”，1973年美国发射了名为“天空实验室”的第一个载人空间站，1986年，苏联发射了能长期运行的“和平号”载人空间站的核心舱，其后历时10年才建成，并超期服役至2003年。,74,67,前苏联的“和平”号空间站,74,68,“和平”号空间站与亚特兰蒂斯号航天飞机对接,74,69,引人注目的国际空间站计划是20世纪90年代初启动的，由美国和俄罗斯牵头、共16个国家参与。1998年，俄罗斯将第
22、一个部件“曙光号”多功能舱送入太空，2006年国际空间站基本建成。国际空间站大致相当于两个足球场大小，总质量达400余吨，是规模最庞大、设施最先进的“人造天宫”，运行在高度为397公里的地球轨道上，计划运行期1015年。目前能供约7名航天员在轨工作，仍在不断地进行扩充、增加舱段和改造环境。,74,70,国际空间站,74,71,6.空间探测器,是对月球和月球以远的天体和空间进行探测的无人航天器，又称为深空探测器。自1959年1月苏联发射第一个月球探测器开始，美、苏等多个国家共发射了近200个行星和星际探测器，考察了月球，拜访了太阳系的所有行星，有的还飞出了太阳系。对金星和火星不仅拍摄绘制了地形图，而且还多次发射无人探测器在金星和火星表面着陆进行科学考察。,74,72,美国2003年发射的“勇气号”火星探测车,74,73,美国2007年8月发射、2008年5月25日在火星着陆的“凤凰号”探测器,74,74,结束语,宇宙飞行的成功与否在很大程度上取决于自动化水平的高低。无论是过去、现在还是将来，自动控制和自动化技术都是支撑宇宙飞行的核心技术，宇宙飞行的自动化水平会越来越高、事故率会不断降低，载人航天会更加安全。发展航天技术不仅具有巨大的军事和战略价值，同时也具有很大的经济和商业价值。航天尖端技术成果可以促进民用技术、工业及整个经济体系的发展，具有很好的应用前景。,
