空间飞行器设计-第1讲

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1.1.3 航天系统
由航天器(专用系统、保障系统) 由航天器(专用系统、保障系统)、航天运输系统、 航天器发射场、航天测控网和应用系统组成。
航天器： 航天器：
在大气层外的宇宙空间、基本按天体力 学规律运行的各种飞行器。 专用系统 航天器 保障系统
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航天器(contd.)
专用系统：
有效载荷，执行特定的航天任务。
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1.2.2 航天技术与现代军事
航天技术是以军事目的而产生、发展起来的。 它在国防领域占据着重要地位。 航天技术的出现与发展，使人类社会的军事 对抗注入了空间因素。
[美]“大鸟”侦察卫星 ]“大鸟”侦察卫星
[中]“巨浪2型”潜射洲际导弹 ]“巨浪2
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轰6 加油机
earth.google.com 美国侦察卫星 拍摄的轰6 拍摄的轰6加油机
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1.3 航天器的分类
图1.2 航天器分类
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1.4 航天技术发展简史
1.4.1 火箭技术发展简史
火箭的诞生—火药、原始火箭;969年 火箭的诞生—火药、原始火箭;969年(宋)冯 继升，岳义方改进成固体火箭；1000年 唐福“ 继升，岳义方改进成固体火箭；1000年,唐福“施 火药于箭首”的军用火箭；( 火药于箭首”的军用火箭；(明) 火龙出水 等[茅元仪. 茅元仪. 武备志] 武备志] 。 现代航天学和火箭理论的奠基人——[ 现代航天学和火箭理论的奠基人——[俄]齐奥 尔科夫斯基。 [美]戈达德(Robert H. Goddard，1882-1945)1925年11月 Goddard，18821925年11月 成功进行了液氧火箭发动机试验。
陕飞 运8
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0.1米 0.1米
0.25米 0.25米
0.5米 0.5米
1米
பைடு நூலகம்空对地成像清晰度比较
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1.2.3 航天技术与经济发展
航天研究与发展的产出是最前沿技术的产出， 如卫星通信技术不仅改变了通信方式，同时也改 变了通信服务品质和降低了长途通信的费用。 航天技术的发展，使经济结构、社会结构以 及人类社会生活发生了巨大变化。
神话与传说
自古以来，飞离地球 是人类始终的渴望。 在中国： “始祖黄帝骑龙升天”； “禹驾龙遨游天空”； “嫦娥奔月”； “为余驾飞龙兮，杂瑶象 以为车”[屈原《离骚》句]， “火箭”[《三国志.魏略》]; “万户飞天”等。
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神话与传说
在国外： 代达罗斯、 “代达罗斯、伊卡罗斯父 子的传说” 子的传说”[古希腊.AegeanSea] ;
空间飞行器设计
南京航空航天大学
College of Aerospace Engineering
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B.E.,BUAA,1985 M.E.,NUAA,1991 Ph.D.,NUAA,2001
主讲人: 主讲人:
许 锋
飞行器先进设计技术国防重点学科实验室 Address: Building A18-419#, Minggugong Campus A18Tel:84896252 Email: feng_xu@nuaa.edu.cn
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课程名称：空间飞行器设计 课程名称： 教 材： 航天工程学
郑荣跃,王克昌, 郑荣跃,王克昌,鄢小清 编. 长沙：国防科技大学出版社， 长沙：国防科技大学出版社，1999.2
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课程安排与要求：
1.
2.
3.
根据学时、学生知识内容和专业特点，对 原书中电类相关章节不作讲解或略讲； 原书中电类相关章节不作讲解或略讲； 教材中没有习题，在讲授航天器轨道运行 教材中没有习题，在讲授航天器轨道运行 原理一章时会增添部分习题； 考试为三结合形式，笔试部分为闭卷形式。 考试为三结合形式，笔试部分为闭卷形式。
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1.2 航天技术与社会发展
1.2.1 航天技术与科技进步
使人类突破了地球表面的障碍，直接进入 空间或通过各种空间探测器获取资料、信息， 不同程度地发展了空间物理学、空间天文学、 空间化学及地质和空间微重力等分支学科。 航天技术使从来都以地球上的生命活动为 对象的生命科学，第一次把认识与研究条件扩 展到了宇宙空间。
(Explorer 1)
卫星运行轨道: 近地点360km、远地点2531km、倾角33.34°,周期为 114.8min。带有盖革计数器、微流星撞击计数器、测温感应元件， 进行了宇宙线和微流星测量，还测量了卫星内部和外壳的温度， 1958年5月23日停止工作。 11
内、外辐射带
“探险者”1号的主要成果是首次发现地球辐射带,后来被人们称为 范爱伦辐射带。这个辐射带内的高能带电粒子对载人空间飞行和卫 星材料、仪器都有一定的危害性。
(Icarus)
梦幻》 《梦幻》[德/开普勒]; 从地球到月球》 《从地球到月球》[法/儒勒·凡尔纳] 等。
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零的突破
以1957年10月4 日前苏联利用多级液 体运载火箭成功发射 的世界上第一颗人造 地球卫星为标志，人 类进入了太空时代。 卫星运行92天， 绕地球飞行约1400圈， 于1958年1月4日再入 大气层时烧毁。
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导航卫星([美]GPS,[俄]Glonass,[中 导航卫星([美]GPS,[俄]Glonass,[中,欧]GalileoGiove, [中]北斗 等)能提供全天时、全天候、连续实时的高 精度定位和测量速度。 空间微重力环境下的生物工程实验、药品制造、 半导体材料制造。 航天技术提高了人类生活质量，改善了人类 生活环境，还将发挥保护人类、保护地球的重要 作用。
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第一讲 概论
引言
К.З.Циолковский（1857-1935） （ ）
地球是人类的摇篮。人类绝不会永远躺在这 个摇篮里，而会不断探索新的天体和空间。 人类首先将小心翼翼地穿过大气层，然后再 去征服太阳系空间。
——康斯坦丁.齐奥尔科夫斯基
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К.З.Циолковский（1857-1935） （ ）
[美]“铱星”(Iridium)及其[中]发 ]“铱星”(Iridium)及其[ 射
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1.2.4 航天技术与社会生活
航天技术为人类全面、及时和准确的监测提供 了技术上的可行性。 航天技术在现代社会中的应用及其广泛。 卫星气象观测能获取全球范围昼夜连续气象 记录.. 记录.. 卫星资源勘测为地球资源大面积普查提供了 经济、有效的新手段。
“人造地球卫星1号”
(Спутник-1)
外径0.58米，重83.6kg,由壳体、卫星 设备和天线组成。
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幕后人物
Сергей Павлович Королев
（1906～1966）
Михаил Клавдиевич Тихонравов
(1900.7.16~1974.3.4)
火箭总设计师: 科罗廖夫(Sergei Pavlovich Korolev); 卫星总设计师:吉洪拉沃夫 发射场: 拜科努尔发射场(Baikonur Cosmodrome, Launching Site)。
[法属圭亚那 库鲁发射中心 法属圭亚那]库鲁发射中心 法属圭亚那 [俄]Baikonur发射中心 ]Baikonur发射中心 [日]种子岛发射中心
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航天测控网
对航天器飞行状态进行跟踪测量并控制其运 动和工作状态的专业系统。
图1.1 中国航天发射场和测控网
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应用系统
按航天器的不同任务需要而装载的的各种 专用系统和相应的地面应用系统，也是实现航 天技术效益的关键技术。 如通讯卫星上的转发 器、天线。相应地面 上的应用系统为卫星 通讯地面站，地面图 象接收系统、地面无 线电发射站等。
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“Explorer 1”背后的功臣
Wernher von Braun (1912(1912-1977)
James Van Allen (1914(1914-2006)
William Hayward Pickering (1910-2004)
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1.1 航天与航天技术
1.1.1 航天
航天是载人与不载人的航天器在太空（外层 空间）的航行活动。又称空间飞行或宇宙航行。 钱学森先生将其按活动范围分为航天和航宇。 目的：探索、开发和利用太空以及地球以外 目的：探索、开发和利用太空以及地球以外 的天体。 技术关键：克服地球引力，达到足够的速度。 技术关键：克服地球引力，达到足够的速度。
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在航天技术的推动下，许多新的学科（温 室效应、航天大地测量、航天海洋学、航天测 绘学等）取得了长足的进步。 航天技术不仅提高了科学技术的认识水平， 而且提高了科学技术的实践水平。 航天技术使人类得以利用宇宙空间的独特 条件（微重力、超纯净、无对流） ，进行全新 的科学技术实验。
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航天技术的出现，使人类直接进入外层空间 成为可能。 人类的第一~ 人类的第一~第四环境[1981，国际宇航联合会第32届年会定义]]： [1981，国际宇航联合会第32届年会定义 陆地－海洋－大气层空间－外层空间 陆地－海洋－大气层空间－外层空间
保障系统： 保障系统：
保障专用系统的正常工作。如结构系统、热 控系统、电源系统、姿态控制系统、轨道控制 系统、无线电控制系统、返回着陆系统、生命 保障系统、应急救生系统、计算机系统。
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航天运输系统： 航天运输系统：
航天运输系统：把任何有效载荷运送到 预定轨道的航天运输工具。有运载器（一次 性使用，运送航天器）和运输器（运送人员、 装备、物资以及补给）。
“人造地球卫星1号”(Спутник-1) 卫星的初始轨道参 数：近地点215km，远地点947km，轨道倾角65°,运行周期 96.2min。主要任务包括测量200km～500km高度的大气密 度、压力、磁场、紫外线和X射线等数据。
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继苏联之后，美国于1958年 31日成功地发 继苏联之后，美国于1958年1月31日成功地发 射了其第一颗人造地球卫星 “探险者1号”。 探险者1
是举世闻名的科学家、科幻作家，被誉为“ 是举世闻名的科学家、科幻作家，被誉为“航天之 父”。
1883年早春，写成了第一篇论文《自由空间》 1883年早春，写成了第一篇论文《自由空间》，其中首次 年早春 提出宇宙飞船的运动必须利用喷气原理。论文《 提出宇宙飞船的运动必须利用喷气原理。论文《利用喷气式器 械探测宇宙空间》阐述火箭飞行理论， 械探测宇宙空间》阐述火箭飞行理论，论述了将火箭用于星际 交通的可能性，首创液体燃料火箭的设想和原理图， 交通的可能性，首创液体燃料火箭的设想和原理图，说明了火 箭在星际空间飞行和从地面起飞的条件。 箭在星际空间飞行和从地面起飞的条件。提出为实现飞往其他 行星的设想，必须设置地球卫星式的中间站。 行星的设想，必须设置地球卫星式的中间站。 1927年发表气垫列车理论和方案 1932年发表喷气式飞机 1927年发表气垫列车理论和方案。1932年发表喷气式飞机 年发表气垫列车理论和方案。 在平流层的飞行原理和一些高超音速飞机构造的方案。1929年 在平流层的飞行原理和一些高超音速飞机构造的方案。1929年 又提出多级火箭的结构。他还写出了许多科普、科幻著作， 又提出多级火箭的结构。他还写出了许多科普、科幻著作， 宇宙的召唤》 在地球之外》是他的代表作。 《宇宙的召唤》和《在地球之外》是他的代表作。 在地球之外》大约是在1896年开始写的 年开始写的——写的是 写的是2017年 《在地球之外》大约是在1896年开始写的——写的是2017年 发生的事。 在月球上》则借一名少年的梦境， 发生的事。 《在月球上》则借一名少年的梦境，用第一人称详 6 细描绘了月面上的种种奇妙景象。 细描绘了月面上的种种奇妙景象。
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1.1.2 航天技术
航天技术（空间技术）是探索、开发和利 用太空以及地球以外天体的综合性工程技术， 是用于航天系统，特别是航天器和航天运输系 统的设计、制造、试验、发射、运行、返回、 控制、管理和使用的综合性工程技术，其理论 基础是航天学。
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航天技术包括：
喷气推进技术、火箭制导和控制、火箭设计 与制造、航天器轨道控制、航天器姿态控制、航 天器热控制、航天器电源、遥测遥控、生命保障、 航天器设计与制造、火箭与航天器试验、飞行器 环境模拟、航天器发射、航天器返回、航天器测 控与安控、航天器地面测试、航天器信息获取和 处理、航天系统工程等。
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航天发射场：
发射航天器的特定场区，有完整的配套设备， 用以装配、储存、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。
[中国]酒泉发射中心 中国]
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[中国 西昌发射中心 中国]西昌发射中心 中国
航天发射场：世界范围内主要有10个 ：世界范围内主要有10个
[美]卡纳维拉尔角 美 卡纳维拉尔角 卡纳维拉尔角(Cape Canaveral) Kennedy Space Center