哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第8课-载人飞船技术
空间飞行器动力学与控制
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Spacecraft Dynamics and Control Teacher：Han-qing ZhangCollege of AstronauticsSpacecraft Dynamics and Control Text book:Spacecraft Dynamics andControl：A PracticalEngineering Approach/s/1o6BF32U(1) Wertz, J. R. Spacecraft Orbit and Attitude Systems, Springer. 2001(2) 刘墩.空间飞行器动力学，哈尔滨工业大学出版社，2003.(3) 章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制，北京航空航天大学出版社，2006.(4) 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，清华大学出版社，2002。
2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control 1. IntroductionSpace technology is relatively young compared to other modern technologies, such as aircrafttechnology.In only forty years this novel domain hasachieved a tremendous level of complexity andsophistication. The reason for this is simplyexplained: most satellites, once in space, must rely heavily on the quality of their onboardinstrumentation and on the design ingenuity of the scientists and engineers.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control The desire of humans to conquer space within the solar system will surely encourage newtechnological achievements that are not yetimagined.The technical fields in which satellites are used are numerous一telecommunications, scientificresearch, meteorology, and others.According to the specific task for which they are designed, satellites may be in orbits as low as200 km or as high as 40,000 km above the earth;other spacecraft leave the earth toward planets in the solar system2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control In October 4, 1957, the former Soviet Union sent the world's first artificial satellite into space.In March 11, 1960, the United States launcheda "pioneer" detector,and it was known as thefirst deep-space probe.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and Control2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 12, 1961,the former SovietUnion successfullylaunched the firstmanned spacecraft. 尤里·加加林Spacecraft Dynamics and ControlIn March 1965, the former Soviet Union realized the first human spacewalk.“上升号”载人飞船2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn January 1966, two spacecrafts completed the rendezvous and docking successfully for the first time in the former Soviet Union .“联盟号”飞船2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn July 1969, the United States landed on the moon for the first time.N．A．阿姆斯特朗E．E．奥尔德林2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 19, 1971, the first space station was built successfully with regard to the former Soviet.“和平号”轨道空间站2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 1981, the first space shuttle had the successful test flight.“哥伦比亚号”航天飞机首飞记录片2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlFengYun22014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control北斗导航试验卫星定位原理图2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Satellites may be very heavy: an inhabited space station, for example, could weigh severaltons or more. There also exist very light satellites, weighing 20 kg or less. Small satellites may berelatively cheap.Despite their differences, satellites possess fundamental features that are common to all. The physical laws that govern their motion in spaceand their dynamics are the same for all spacecraft.Hence, the fundamental technologies that evolved from these laws are common to all.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlA satellite's life begins with the specificbooster transferring it to some initial orbit,called a transfer orbit, in which the satellite is already circling the earth.For a satellite that will stay near earth, the next stage will be to "ameliorate" theorbit. This means that the satellite must bemaneuvered to reach the precise orbit forwhich the satellite was designed to fulfill its mission.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Next, the satellite's software must check for the proper functioning of itsinstrumentation and its performance inspace, as well as calibrate some of theinstruments before they can be used tocontrol the satellite.The final stage is the one for which the satellite was designed and manufactured.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Understanding the meaning of each stage will help one to understand the infrastructure of thecontrol system of any satellite.Throughout the text, the terms "satellite" and "spacecraft" (s/c for short) will be usedinterchangeably. The terms "geosynchronous"and "geostationary" will be used interchangeably to describe the orbit of a satellite whose period can be made exactly equal to the time it takes theearth to rotate once about its axis.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlA geosynchronous communications satellitewill be described in its different life stages. Acommon, medium-sized satellite is good example.Satellite of this type consist of the following main structural parts.(1) A central body consisting of a cubelikestructure.(2) Solar arrays extended in the N-S direction.(3) An antenna tower directed toward theearth.(4) Controllers(such as reaction thrusters)and attitude sensors(such as sun sensors).2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAttitude and orbit control systemThe attitude and orbit control system (AOCS) may include:(1) A reaction bipropellant (反应双组元)thrustsystem.(2) Two momentum wheels (one redundant).2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control(3) Two infrared horizon sensors. (one operating andone redundant)(4) Four fine sun sensors. (two redundant)(5)Twelve coarse sun sensors for safety reasons. (sixredundant)(6)Two three-axis coarse rate gyros(陀螺仪).(7)Two three-axis integrating gyros.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Much of the control hardware is redundant in order to guarantee a reliable control systemdespite potential hardware failures.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlMission sequenceSequence for injecting a satellite into the geostationary orbit.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlFirst is the launch into ageosynchronous transfer orbit(GTO).(地球同步转移轨道)withperigee and apogee (low and highaltitude) of 200 km and 35,786km, respectively.This is followed by the transferfrom GTO to geostationary orbit(GEO)(地球同步静止轨道),whereperigee and apogee both are35,786 km and the orbitinclination and eccentricity areclose to null.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlNext is the preparationand calibration of theAOCS.(姿态和轨道控制系统)GEO mission can start,followed by the actualGEO mission stage.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAfter separation from the launcher, the satellite is commanded into a sun acquisition mode with the -X B axis pointing toward the sun. After completion of this stage, the solar panels are partially or fully deployed. If fully deployed, They can be rotated about their axis of rotation toward the sun in order to maximize power absorption.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe satellite stays in this cruise mode until the first apogee boost motor (ABM) orbit is approached. In the first and the subsequent ABM orbits, several hours before the ABM firing at the apogee, the gyros' calibration maneuvers are initiated.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlLess than an hour before any ABM firing, earth acquisition is initiated with the +Z B axis now pointed toward the earth, followed by preparation for the ABM firing stage.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAfter ABM firings ranging from several to more than 30 minutes, the satellite is commanded to GTO cruise. After the last ABM firing, the satellite life is prepared for GEO operation.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn the first GEO, earth acquisition is performed, meaning that the +Z B axis of the satellite is directed toward the earth center of mass, thus allowing the normal GEO cruise.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe momentum wheel is spun to its nominal angular velocity to provide momentum bias attitude control. The orbit is then corrected for any remaining inaccuracies in inclination and eccentricity.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe satellite orbit dynamics and controlThe classical equations of motion of ideal Keplerian orbits.The basic orbital control concepts including control and station keeping of satellites.The attitude dynamics and controlThe basic equations of rotational motion about some axis through its center of mass.Single-and Dual-spin stabilization.The attitude stabilization and maneuvering ofspacecraft stabilized in three axes.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and Control。
航天器姿态动力学与控制(哈尔滨工业大学) ——李立涛
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
不变平面和不变线的定义 Poinsot椭圆在不变平面上的无滑动滚动
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
推力倾斜的自旋航天器
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
带有姿控推力器的自旋航天器
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
美国探险者一号卫星
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
Cz
C S
SC SC S
C S SSC CC
S S SCC
CS
S
CC
tan
1
C21 C22
sin1 C23
tan
1
C13 C33
有能量耗损时的本体极迹
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
一般准刚体的姿态动力学模型
x
Iy Iz Ix
yz
Mx Ix
T
(Ix
I
2 x
x / Iz )x2 (I y
I
2 y
/ Iz )y2
y
Iz Ix Iy
xz
My Iy
T
(Ix
I
2 x
y / Iz )x2 (I y
Cba Cz Cx Cz SC CC S
S S
CS SCC SS CCC
S C
SS
C
S
C
tg
1
C31 C32
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第3课-空间飞行器轨道动力学上PPT课件
（2）运载火箭的 主动段轨道
在主动段飞行时，作用 在火箭上的力和力矩 如图3.6所示
图3.6 在主动段作用于火箭上的力系
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XOY 为发射平面坐标， X1O1Y1为速度坐标。图中 为地心角， 为俯仰角， 为 速度方向角， 为火箭飞行 攻角。
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把作用在火箭上所有的力，
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春分点：黄道与天赤道的一 个交点。
黄道：地球绕太阳公转的轨 道面（黄道面）与以地心为球心 的天球相交的大圆。
“黄赤交角”：黄道面与赤 道面约相交成23°27′。
太阳的周年视运动：由于地 球公转观测到太阳在恒星间移动， 周期为1年。
黄道就是天球上的太阳周年 视运动轨迹。太阳由南向北过天 赤道的交点叫“春分点”，另一 个交点是秋分点。
co s2
2
k
vk2
v
2 k
rk2
co s2
k
2 2
rk
4 vk2rk2 cos2 k
co s(0
（3-8） )
式中， 3.8961014 m3/s2 称为地球引力常
数可见。，自由飞行段的轨道方程，完全取决于主动段终点的速度 ，速度方向角
和径向距离。
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在图3.7中，如果火 箭在 B点，再一次点 火加速，使火箭的速 度达到航天飞行器在 该点的运行速度，它 就进入绕地球运动的 的轨道，此轨道称为 “卫星轨道”。卫星 的轨道高度和形状， 由运载火箭主动段终 点的速度矢量和空间 位置决定。
在运载火箭方案论证初期，可以依据发射航天 飞行器的速度要求，用齐氏公式计算出理想速度， 再减去约2000m/s的速度损失，进行方案估计。
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哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第9课-航天飞机技术
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
（１）航天飞机系统的测量敏感器
为了确定航天飞机系统的轨道和姿态，航天 飞机系统上采用了9种导航和姿态测量设备，总 共40个敏感器，在很多场合下把这些轨道和姿态 测量简称为导航。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
每一架航天飞机上装有三台主发动机，发动 机的结构完全一样，位于轨道器的尾部。
为了严格监控三台主发动机的工作状态并调 节其推力的大小和方向，每台主发动机都有一套 可整体更换的发动机电子控制器，其中包括两台 相同的互作备份的数字计算机。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
航天飞机控制系统包括轨道和姿态控制两个 部分。
轨道控制具体包括导航、制导和控制3种功 能。另外，还可以使航天飞机与同轨道平面内最 大相距560km的目标相会合。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
尽管航天飞机控制系统具有强大的控制功能 和复杂的结构，但它的基本结构和原理与其他各 种控制系统依然一致。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
航天飞机的飞行包括发射上升、入轨、轨道 运行、离轨和再入返回等阶段。
控制系统任务：保证航天飞机在各种飞行状 况下正常执行任务和安全可靠地运行。
控制要求：航天飞机又是载人航天器和多次 重复使用的，该控制系统的可靠性和安全性等方 面的要求极其严格。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
每套惯性测量单元由四框架平台、电子设备 、输入／输出装置和电源4个主要部分组成。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
惯性测量单元
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第1课-绪论
“礼炮1号”空间站
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1981年4月，世界上第一 架垂直起飞、水平着陆、可 重复使用的美国航天飞机 “哥伦比亚号”试飞成功， 标志着航天运载器由一次性 使用的运载火箭转向重复使 用的航天运载器的新阶段， 标志着人类在空间时代又上 了一层楼，进入了航天飞机 时代。
美国“哥伦比亚号”航天飞机
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
人类自20世纪60年 代开始探测火星的尝试。 大约半数火星探测任务 成功。 2008年05月25日 ， 美国“凤凰”号火星探 测器成功降落在火星北 极区域，其核心任务是 寻找水和生命痕迹。 2008年11月，凤凰 号与地面控制中心失去 联络。
“凤凰”号挖掘臂挖掘火星土壤的情景
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1988年11月15日，前苏联的暴风雪号航天飞机从 拜科努尔航天中心首次发射升空，47分钟后进入距 地面 250公里的圆形轨道。它绕地球飞行两圈，在 太空遨游三小时后，按预定计划于 9时25分安全返 航，准确降落在离发射点12公里外的混凝土跑道上， 完成了一次无人驾驶的试验飞行。
“水手2号”探测器
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1966年1月，前苏联两艘载人飞船第一次在轨道上成功 交会对接，并实现了两位航天员从一艘飞船向另一艘飞船 的转移。
前苏联“联盟号”载人飞船
前苏联“上升号”载人飞船
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1971年4月19日，前苏联“礼炮1号”空间站入 轨成功，其质量约18t，总长14m，轨道高度200～ 250 km，轨道倾角51.6º ，成为人类第一个空间站。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
13～14世纪，中国的火箭技术与其他火药兵器一 同传到阿拉伯国家和印度，后又传入欧洲。至18世 纪后期，印度军队在抗击英国和法国军队的多次战 争中就曾大量使用火药火箭并取得了成功结果，由 此推动了欧洲火箭技术的发展。 曾在印度作战的英国人康格里夫(William Congreve)在19世纪初对印度火箭作了改进，他确定 了黑火药的多种配方，改善了制造方法并使火箭系 列化，最大射程可达3km。这些初期火箭的原理都 成为了近代火箭技术的最初基础。
航天飞行动力学 pdf
航天飞行动力学是研究航天器和运载器在飞行中所受的力及其在力作用下的运动的学科，也称为航天器动力学。
它是建立航天器设计、发射和运行控制的重要基础。
航天飞行动力学的研究内容包括航天器的轨道运动、姿态运动以及推力控制等。
其中，轨道运动是指航天器在地球或其他天体周围绕行运动的规律，包括圆轨道、椭圆轨道、抛物线轨道等；姿态运动是指航天器绕自身轴线旋转或摆动的运动，包括自旋稳定、三轴稳定等。
推力控制是指通过施加推力来改变航天器的运动状态，包括轨道机动、姿态控制等。
航天飞行动力学的研究目的是为航天器的设计、发射和运行控制提供理论支持，确保航天器的安全、可靠和经济性。
在实际应用中，航天飞行动力学也是制定发射窗口、规划轨道转移、进行精确导航定位等的重要依据。
以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询相关学者。
载人飞船航天知识点总结
载人飞船航天知识点总结一、载人飞船概述载人飞船是一种能够搭载人员前往太空的航天器，通常用于执行载人太空任务，例如执行国际空间站任务、进行太空科学实验等。
载人飞船的研发和运行对于人类太空探索具有重要意义，它是人类探索太空的重要工具之一。
二、载人飞船的种类目前，世界上主要的载人飞船有美国的联邦航空航天局（NASA）的奥利安-奥里恩飞船、SpaceX的载人龙飞船、俄罗斯的联盟飞船、中国的神舟飞船等。
这些载人飞船在技术方面各有特点，但都是为了满足人类太空探索的需求而设计。
三、载人飞船的组成1. 舱段舱段是载人飞船的核心部分，通常包括飞行员控制区、生活支持系统、舱外活动区域等。
舱段是飞船内部的主要活动区域，飞行员将在这里执行各种任务。
2. 助推器助推器是载人飞船的动力来源，其作用是提供足够的推力，使得飞船能够脱离地球引力，进入太空轨道。
助推器通常采用火箭推进技术，可以是液体火箭发动机或者固体火箭发动机。
3. 载人舱载人舱是载人飞船内部的密封舱体，用于保护飞行员在太空中的生命安全。
载人舱通常包括舱门、座椅、氧气系统、食品储备、紧急逃生系统等设施。
4. 供电系统供电系统是载人飞船的电力来源，它提供飞船内各种设备和仪器所需的电能。
为了确保持续供电，供电系统通常包括太阳能电池、电池组、太阳能充电器等设备。
5. 控制系统控制系统是载人飞船的操纵和导航系统，用于控制飞船的航向、姿态、速度等参数。
控制系统通常包括惯性导航设备、推进器、舵机等设备。
6. 通信系统通信系统是载人飞船的通讯设备，用于飞船与地面指挥中心以及其他飞船之间的通讯。
通信系统通常包括无线电台、卫星通讯设备、语音通讯设备等。
7. 生命支持系统生命支持系统是载人飞船内部的气体、水和食品供应系统，用于维持飞行员在太空中的生存所需。
生命支持系统通常包括空气净化设备、水循环系统、食品储备等设施。
四、载人飞船的发射与返回1. 预发射准备在载人飞船发射前，需要进行一系列的预发射准备工作，包括检查飞船各个系统的运行状态、确定发射时间、进行直觉和气象条件的评估等。
哈工大航天学院课程空间飞行器动力学与控制空间飞行器轨道控制上课件
利用航天器的特殊构型或附加质量等特性，通过改变航天器的重心 位置或转动惯量等方式，实现轨道控制。
组合控制方法
将主动控制和被动控制相结合，利用各自的优势，实现更高效、精确 的轨道控制。
轨道控制应用实例
卫星轨道转移
将卫星从一个圆轨道转移到一个椭圆轨道，或从一个椭圆轨道转 移到另一个椭圆轨道，实现卫星的变轨任务。
哈工大航天学院 课 程空间飞行器动力 学与控制空间飞行 器轨道控制上课件
contents
目录
• 课程简介 • 空间飞行器动力学基础 • 空间飞行器控制基础 • 轨道控制技术 • 课程实践环节
01
课程简介
课程目标
掌握空间飞行器动力 学与控制的基本原理 和关键技术。
培养学生在空间飞行 器设计、开发和运行 方面的实践能力和创 新思维。
实验内容与要求
实验内容
学生需要掌握卫星轨道测量、控制的 基本原理和方法，通过实际操作，掌 握卫星轨道控制技术。
实验要求
学生需要独立完成实验，并撰写实验 报告，同时需要掌握实验过程中的安 全操作规范。
实验报告撰写规范
实验目的
学生需要清晰阐述实验的目的和意义。
实验过程
学生需要详细记录实验过程，包括实验步骤、数据记录等。
描述了作用在空间飞行器上的控制力矩，是实现空间飞行器姿态 控制的重要手段。
03
空间飞行器控制基础
控制基本概念
控制系统
由控制器、受控对象和传感器等组成的整体，以分为开环控制和闭 环控制。
控制品质
评价控制系统性能的指标，包括稳定性、快速性和准 确性。
动量定理
描述了物体动量的变化与 作用力的关系，是理解动 力学行为的重要基础。
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空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
假如飞船的再入舱不是大钝头，而像某些返 回式卫星以小头向前再入大气层，则其再入峰值 减加速度将达到18g，航天员就会死亡。
所以，无翼式大钝头的再入舱外形，是早期 载人飞船的理想外形。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
神州五号载人宇宙飞船返回舱
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
载人飞船返回地球时必须有气动加热防护系 统和着陆系统。
一般返回和乘员的着陆由专门的舱段来完成 ——再入舱，也称为返回舱或着陆舱。它本身应 具有达到稳定与控制所要求的气动特性的外形， 并且在工作时应保证运动的稳定性、着陆足够的 精确性以及乘员所能承受的过载。
在飞行过程中，航天员将操作座舱内的大量 船载设备单元进行工作，如生命保障系统的一些 设备、乘员装备、手动机构和科学仪表等。座舱 内柔和的光线和明亮的照度，使航天员可以清楚 地分辨仪表的读数。 座舱内除显示仪表外，还有航天员操作的计 算机键盘和一些重要的开关与手柄。 其中关键的按钮开关如“返回火箭点火”、 “舱段分离”、“弹射”、“开伞”等开关必须 用罩子盖起来，防止失误动作造成事故。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
载人飞船的特点：
返回地球 乘员的生活及活动条件
飞行安全
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
（1）返回地球的特点
返回地球是每个载人飞船所必须完成的程序 。在完成轨道飞行任务后，为完成返回地球的程 序，必须对飞船实施制动使其进入返回轨道。
对于远距离的飞行必须修正返回轨道，这就 要求飞船具有改变轨道的动力装置及一系列其他 系统，例如姿态控制和运动控制系统，它的执行 机构系统、供电系统等。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
对于进行航天员交换的飞行，飞船必须具有 刚性的对接机构以及密封的过渡通道，对接机构 上应有密封盖和监视对接密封系统。 考虑人出舱到开敞的宇宙空间的问题，在飞 船上应备有宇宙服及其相应的服务系统，而飞船 本身应有闸门舱。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
稳定和控制系统使航天员能在飞行的各个阶 段或者手动地或者自动地操纵飞船，它的功能一 般是进行飞船姿态的控制以及主推进装置点火方 向或推力矢量的控制。 该分系统的所有控制功能都是导航与制导系 统的后援，它也可用作惯性基准的后备系统。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
飞船再入舱的外形很简单，都是无翼的大钝 头体。例如，前苏联的“东方号”飞船，它的再 入舱是球形；美国的“水星号”飞船，其再入舱 形状为钟形。这种大钝头的无翼式再入舱外形结 构简单，工程上易于实现。
当飞船再入大气层时，距地面40km左右的高 空就急剧减速，造成的峰值减加速度为8g左右。 这样的减加速度，对经选拔和训练的航天员来说 是可以承受的。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
除救生塔系统和飞船与运载火箭过渡舱外， “阿波罗”飞船主要由三部分组成，即指挥舱、
服务舱及登月舱，总质量约为45t。
美国“阿波罗”载人飞船
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
“阿波罗”飞船 1－逃逸塔；2－指挥仓；3－服务仓；4－登月仓
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
第八课_载人航天技术
一、 载人飞船的结构组成
二、 载人飞船的制导与控制
三、 载人飞船的再入返回控制 四、空间站
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
பைடு நூலகம்
载人航天是现代科学技术发展的一个显著标
志。
自1961年4月世界上第一艘载人飞船——“东 方号”上天以来，已有40年的历史了。在此期间 ，世界各国为发展载人航天技术，投入了巨大的 人力和物力，实施了一个又一个载人航天计划。 发展载人航天技术，有着重要的经济、科学与军 事上的需要。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
目前，美国、俄罗斯、西欧、日本等还正在 联合组建巨大的永久性载人航天器“国际空间站 ”。
1999年11月至今，我国的“神舟号”试验飞 船也已经多次发射成功。
1981年4月，美国发射成功可重复使用的航 天飞机。前苏联于1988年11月也发射了类似美国 航天飞机的无人航天飞机“暴风雪号”。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
服务舱是飞船的后勤供应部分，呈圆柱体形。 它高约7.6m，直径为3.93m，质量约24～29t，连 接在指挥舱后面。 服务舱结构基本上是由6条化铣铝制梁分开 的两个上下隔框组成，中央是一条通道，周围放 置各种有关系统、设备及容器。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
与控制飞船有关的乘员活动以及完成手控飞 船的动作将影响飞船的结构和飞船上的系统。 在座舱结构设计中，首先要考虑到航天员进 出方便，还要有逃逸口。
控制载人飞船飞行要有乘员的工作位置。该 位置应合理地安排并能观察到飞船外部的状况， 获得飞船各系统工作信息，进行与地球及其他载 人飞船的联系。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
在指挥舱的侧面有一个航天员出入的舱口， 在其后部还有一个通往登月舱的连接隧道舱口。 此外还有两个侧舷窗供航天员摄影和观察用， 两个交会舷窗供交会机动与对接时进行观察与普 通观察用。 指挥舱是一个双壁结构，里层是铝蜂窝结构 的压力舱，铝蜂窝外表面通过隔热层与不锈钢蜂 窝结构相连结，不锈钢蜂窝结构外表面覆盖有烧 蚀防热层。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
二、载人飞船的制导与控制
飞船的制导与控制工作是由两个相互联系的 分系统来完成的，这就是导航与制导系统和稳定 与控制系统。这两个分系统感测出姿态和轨道变 化诸参数，处理这些信息，并把它变为飞船推进 装置的指令。 导航与制导系统的功能是使飞船遵循正确的 航线飞行，它有控制飞船轨道的能力，也要求有 引导救生的能力。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
载人航天器有载人飞船、航天飞机和空间站 等三类。 从1961年起到现在，前苏联已经发射了“东 方号”、“上升号”、“联盟号”3种载人飞船 ，7个“礼炮号” 空间站和1个“和平号”空间 站。 与此同时，美国发射了“水星”、“双子星 座”、“阿波罗”3种载人飞船和1个“天空实验 室”空间站。
空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
登月舱是在空间和重力较小的月面进行工作 的，它的结构设计考虑主要是发射时的加速度和 在月球着陆时的冲击力，并不受空气动力方面的 影响。 此外，登月舱设计中的一个最大问题是重量 控制，由于登月舱每增加1kg质量都必须付出整 个航天器与燃料质量的更惊人的代价。 因此，特别注意保证结构和系统最少的重复 性考虑。
服务舱还装有推力约100kN的可多次启动 的飞船主发动机，它一直到返回地球，再入 大气层时才抛掉，在地球大气层中烧毁。 服务舱的外壳装有电源系统及环境控制 系统的辐射器以及反作用控制系统的火箭喷 嘴等。
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登月仓在月球
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载人飞船的构造特征
下面以“阿波罗”载人飞船为例说明载人飞 船的构造特征。 “阿波罗”载人飞船是美国的第三代载人飞 船，从1968年到1972年期间进行了11次载人飞行， 其中6次登上月球。首次登月是在1969年7月20日 实现的。当时，“阿波罗一11”把美国航天员阿 姆斯特朗和奥尔德林送上月球。
指挥舱是飞船的控制中心，也是整个飞行任 务中三名航天员生活和工作的主要舱段，同时也 是飞船中惟一要返回地面的部分。 指挥舱的形状为一个圆锥体，高为3.53m， 底部直径为3.93m，质量约6t。舱内装有环境控 制系统、姿态控制系统和无线电通信报话等设备。 舱的中央并排着指令长(相当于船长)、驾驶员和 飞行工程师等三名航天员的座椅。 飞船发射和返回地面的时候，三名航天员躺 在椅子上，其余时间航天员可以离座活动。
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所要求的安全度将影响飞船的外形、各个系 统的性能、火箭飞船整个系统及飞行图。除保证 可靠性以外，还要组织系统的职能备份，如自动 工作状况辅以手动操作，引入专门故障时的乘员 救生设备，装配备份仪表和机件等。 实际上，飞行安全的特点融于飞船设计的各 个方面，这是载人航天器提出的尤为突出的要求 和特点。
登月舱质量为 14t，高6m多。登月 舱由“下降段”和 “上升段”组成。 下降段里有下降发 动机和四条着陆架， 它能够把两名航天 员送到月球上。 上升段里有环境控 “阿波罗”飞船登月仓 制系统、通信和电 1－通道；2－姿态喷管；3－着陆架； 源设备。
4－出入口；5－窗口；6－对接雷达
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飞船的座舱应设有视野开阔的舷窗，航天员 通过舷窗可观察发射前的准备活动，轨道飞行中 交会对接情况，返回点火时的姿态控制与机动和 再入着陆的地面情况等等。
“水星9号”的航天员，在飞船自动控制系统 失灵的紧急情况下，就是通过舷窗观察地平线， 手控飞船姿态，点燃返回发动机，再入大气层获 得了成功。
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（2）保证乘员生活及活动条件的特点
乘员的生活条件只能在宇宙空间的密封舱中 得以保证，为此每个载人飞船均有自己的密封舱 ，其中的大气条件应能满足呼吸的需要并经常地 更新。最好的大气压力及气体成分是相应于地球 海平面处的自然大气压力及气体成分。 在飞船“联盟号”、“联盟TM”和空间站“ 礼炮号”中均保持了这个条件，在“阿波罗”飞 船中采用了降压的纯氧大气。
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