第8章 航天系统剖析

1、第8章 航天系统8.1 航天器8.2 航天运输系统8.3 航天器发射场8.4 航天测控网人造地球卫星简称人造卫星，是航天器中数量最多的一类，人造地球卫星简称人造卫星，是航天器中数量最多的一类，占所有航天器总数占所有航天器总数90%90%以上。按用途可以将卫星分为科学卫以上。按用途可以将卫星分为科学卫星、应用卫星和技术实验卫星。科学卫星用于科学探测与科星、应用卫星和技术实验卫星。科学卫星用于科学探测与科学研究。应用卫星是直接为国民经济和军事服务的卫星。应学研究。应用卫星是直接为国民经济和军事服务的卫星。应用卫星按用途又可以分为通信卫星、气象卫星、侦察卫星、用卫星按用途又可以分为通信卫星、气象卫星

2、、侦察卫星、导航卫星、地球资源卫星等。导航卫星、地球资源卫星等。 航天器航天器由专用系统和保障系统构成。航天器由专用系统和保障系统构成。专用系统又称有效载荷，用于执行特定的航天任务；专用系统又称有效载荷，用于执行特定的航天任务；保障系统又称通用载荷，用于保障专用系统的正常工作保障系统又称通用载荷，用于保障专用系统的正常工作。人造地球卫星卫星结构形式因其用途而卫星结构形式因其用途而异，但从功能上看都由承异，但从功能上看都由承力结构，外壳安装部件，力结构，外壳安装部件，天线，太阳能电池阵结构，天线，太阳能电池阵结构，防热结构，分离连接装置防热结构，分离连接装置等组成等组成人造地球卫星卫星主要由下列

3、几个部分组卫星主要由下列几个部分组成：成：卫星的本体（结构系统）、卫星的本体（结构系统）、电源系统、通信装置及其天电源系统、通信装置及其天线、姿态控制系统、温度控线、姿态控制系统、温度控制系统、仪器舱等制系统、仪器舱等载人飞船是指能保障航天员在外层空间生活载人飞船是指能保障航天员在外层空间生活和工作以执行航天任务并返回地面的航天器，和工作以执行航天任务并返回地面的航天器，又称宇宙飞船。载人飞船运行时有限，仅能又称宇宙飞船。载人飞船运行时有限，仅能一次使用。载人飞船可以独立进行航天活动，一次使用。载人飞船可以独立进行航天活动，也可以作为往返于地面和航天站之间的也可以作为往返于地面和航天站之间的“

4、渡渡船船”，能够与航天站式其他航天器对接后进，能够与航天站式其他航天器对接后进行联合飞行。行联合飞行。 载人飞船具有多种用途。主要进行近地轨道载人飞船具有多种用途。主要进行近地轨道飞行，试验各种载人航天技术；考察轨道上飞行，试验各种载人航天技术；考察轨道上失重和空间辐射对人体的影响，发展航天医失重和空间辐射对人体的影响，发展航天医学；进行载人登月飞行；为航天站接送人员学；进行载人登月飞行；为航天站接送人员和物资；进行军事侦察和地球资源勘测；进和物资；进行军事侦察和地球资源勘测；进行临时天文观测。行临时天文观测。 载人飞船载人飞船载人飞船一般由载人飞船一般由乘员返回座舱、乘员返回座舱、轨道舱、服

5、务舱、轨道舱、服务舱、对接舱和应急救对接舱和应急救生装置等部分组生装置等部分组成。登月飞船还成。登月飞船还有登月舱有登月舱 2002 2002年年1212月月3030日，神舟四号任务创造了中国运载火日，神舟四号任务创造了中国运载火箭低温发射的历史纪录；箭低温发射的历史纪录；20032003年年1010月月1515日，神舟五号首次将中国航天员送入日，神舟五号首次将中国航天员送入太空；太空； 20052005年年1010月月1717日，神舟六号实现了日，神舟六号实现了“多人多天多人多天”的的飞行任务；飞行任务； 20082008年年9 9月月2727日，神舟七号完成了中国航天员首次太日，神舟七号完

6、成了中国航天员首次太空行走；空行走； 20112011年和年和20122012年，天宫一号和神舟八号、神舟九号年，天宫一号和神舟八号、神舟九号完成了两次空间交会对接任务，建成了中国第一个空间完成了两次空间交会对接任务，建成了中国第一个空间实验室，中国三名航天员首次住上了这个实验室，中国三名航天员首次住上了这个“太空之家太空之家”载人飞船载人飞船载人飞船载人飞船我国第一艘载人飞船我国第一艘载人飞船“神舟五号神舟五号”由轨道舱、返回舱由轨道舱、返回舱和推进舱组成。和推进舱组成。载人飞船载人飞船返回舱返回舱是载人飞船的核心舱是载人飞船的核心舱段，也是整个飞船的控制中段，也是整个飞船的控制中心。承受起

7、飞、上升和轨道心。承受起飞、上升和轨道运行阶段的各种应力和环境运行阶段的各种应力和环境条件，经受减速过载和气动条件，经受减速过载和气动加热，有舱门与轨道舱相通。加热，有舱门与轨道舱相通。轨道舱轨道舱是宇航员在轨道上的工作场所，里面装有各种实验仪器和设备。是宇航员在轨道上的工作场所，里面装有各种实验仪器和设备。推进舱推进舱通常安装动力系统、电源和气源等设备，对飞船起到服务保障作用通常安装动力系统、电源和气源等设备，对飞船起到服务保障作用对接舱对接舱是用来与太空站或其他航天器对接的舱段，航天员可由此出舱进入是用来与太空站或其他航天器对接的舱段，航天员可由此出舱进入空间空间载人飞船载人飞船对接过程空

8、间站可供多个航天员长期空间站可供多个航天员长期工作和居住，又称航天站或工作和居住，又称航天站或轨道站。空间站运行期间，轨道站。空间站运行期间，航天员的替换和物资设备的航天员的替换和物资设备的补充可以由载人飞船或航天补充可以由载人飞船或航天飞机运送，物资也可以由无飞机运送，物资也可以由无人飞船运送。由于空间站在人飞船运送。由于空间站在环绕地球轨道上运行，处于环绕地球轨道上运行，处于没有大气微重力的特殊情况没有大气微重力的特殊情况下，在科学研究、国民经济下，在科学研究、国民经济和军事上都有重大意义。主和军事上都有重大意义。主要用在天文观测、地球资源要用在天文观测、地球资源勘测、医学和生物研究，新勘

9、测、医学和生物研究，新材料新工艺研究以及军事侦材料新工艺研究以及军事侦察等。察等。 空间站空间站空间站分为单一式和组合式两空间站分为单一式和组合式两种。单一式空间站由运载火箭种。单一式空间站由运载火箭直接发射入轨；组合式空间站直接发射入轨；组合式空间站由若干次火箭发射或航天飞机由若干次火箭发射或航天飞机多次飞行，把空间站的组合件多次飞行，把空间站的组合件运送到轨道上组合而成。空间运送到轨道上组合而成。空间站通常由对接舱、气闸舱、轨站通常由对接舱、气闸舱、轨道舱、生活舱、服务舱、专用道舱、生活舱、服务舱、专用设备舱和太阳能电池板等部分设备舱和太阳能电池板等部分组成。对接舱用以停靠载人飞组成。对接

10、舱用以停靠载人飞船或其他航天器。船或其他航天器。 航天飞机航天飞机是一种可以重复使用的，往返与地球表面航天飞机是一种可以重复使用的，往返与地球表面和近地轨道之间的飞行器，航天飞机可以在轨道上和近地轨道之间的飞行器，航天飞机可以在轨道上运行以完成多种任务，也可以作为运输工具将其他运行以完成多种任务，也可以作为运输工具将其他航天器送入近地轨道。航天飞机依靠火箭推进进入航天器送入近地轨道。航天飞机依靠火箭推进进入太空，返回时像飞机一样依靠空气动力下滑着陆。太空，返回时像飞机一样依靠空气动力下滑着陆。 目前世界上只有美国和前苏联建造了航天飞机，其目前世界上只有美国和前苏联建造了航天飞机，其中美国五架（

11、已坠毁中美国五架（已坠毁2 2架）。前苏联的航天飞机没架）。前苏联的航天飞机没有正式投入使用。有正式投入使用。 轨道飞行器是航天飞机最复杂轨道飞行器是航天飞机最复杂的部分，要求重复使用的部分，要求重复使用100100次。次。外形为无尾曲边三角翼布局，外形为无尾曲边三角翼布局，内部结构与一般飞机类似。轨内部结构与一般飞机类似。轨道飞行器在再入大气层时会产道飞行器在再入大气层时会产生很高的温度，机首和前缘可生很高的温度，机首和前缘可达达14301430，因此采用碳，因此采用碳碳材碳材料防热层。机身和机翼下部温料防热层。机身和机翼下部温度约为度约为65012006501200，采用二氧，采用二氧化硅

12、防热瓦。其他部分敷盖温化硅防热瓦。其他部分敷盖温度较低的防热层。防热层可以度较低的防热层。防热层可以使用内部承力金属结构保持在使用内部承力金属结构保持在180180以下。以下。 航天飞机航天救生装置航天救生是指在紧急情况下，航航天救生是指在紧急情况下，航天员迅速脱离航天器，及时撤往天员迅速脱离航天器，及时撤往另一航天器或返回地面，并在地另一航天器或返回地面，并在地面进行自救或求救的过程面进行自救或求救的过程主动飞行段的救生分为：发射台低主动飞行段的救生分为：发射台低空段救生和高空段救生空段救生和高空段救生发射台低空段救生发射台低空段救生从起飞到十几米的高度内，火箭一旦发生故从起飞到十几米的高度

13、内，火箭一旦发生故障，载人飞船携带的动力装置的推力不足以障，载人飞船携带的动力装置的推力不足以克服空气阻力而把飞船从运载火箭上推开，克服空气阻力而把飞船从运载火箭上推开，因此需要专门设置救生装置，如救生塔因此需要专门设置救生装置，如救生塔航天救生装置高空段救生高空段救生在高空段，飞船的返回制在高空段，飞船的返回制动发动机的推力足以克服动发动机的推力足以克服飞船的空气阻力而把飞船飞船的空气阻力而把飞船从危险区推开，然后按正从危险区推开，然后按正常程序安全降落常程序安全降落轨道运行段救生轨道运行段救生飞船在轨道运行段的安全主要靠飞船各种飞船在轨道运行段的安全主要靠飞船各种设备的可靠性和主要系统设备

14、采用备份来设备的可靠性和主要系统设备采用备份来保证保证运载火箭是一种由多级火箭组成的运载火箭是一种由多级火箭组成的航天器运输工具。主要用途是把人航天器运输工具。主要用途是把人造地球卫星、宇宙飞船等有效载荷造地球卫星、宇宙飞船等有效载荷送入预定轨道。最小的运载火箭重送入预定轨道。最小的运载火箭重1010余吨，可将余吨，可将1.48kg1.48kg载荷送入近地载荷送入近地轨道。最大的运载火箭重达轨道。最大的运载火箭重达29002900多多吨，可将吨，可将120120吨有效载荷送入近地吨有效载荷送入近地轨道。轨道。 航天运输系统航天运输系统是把任何有效载荷运送到航天运输系统是把任何有效载荷运送到预定

15、轨道的航天运输工具。可分为：运预定轨道的航天运输工具。可分为：运载器和运输器载器和运输器航天运输系统运载火箭发射程序是指运载火箭从点火起运载火箭发射程序是指运载火箭从点火起飞到将航天器送入预定轨道的整个过程飞到将航天器送入预定轨道的整个过程1 1、天体运行轨道条件、天体运行轨道条件 以探测太阳系内某一天体为目的的空间探测器要与目标天体以探测太阳系内某一天体为目的的空间探测器要与目标天体接近或相遇，必须在地球与目标天体处于一定的相对位置之接近或相遇，必须在地球与目标天体处于一定的相对位置之前和之后某个时间区域内瞄准正在运动的目标天体发射，这前和之后某个时间区域内瞄准正在运动的目标天体发射，这个时

16、间区间就是个时间区间就是发射窗口发射窗口。如错过这段时间，地球与目标天。如错过这段时间，地球与目标天体的相对位置发生变化，发射窗口和飞行路线也随之改变。体的相对位置发生变化，发射窗口和飞行路线也随之改变。 2 2、航天器轨道要求、航天器轨道要求 近地航天器的的交会和对接、用多颗非静止轨道的通信卫星近地航天器的的交会和对接、用多颗非静止轨道的通信卫星和导航卫星组成专用网，都必须根据轨道分布的要求，按照和导航卫星组成专用网，都必须根据轨道分布的要求，按照严格的规定时间发射。严格的规定时间发射。 3 3、航天器的工作条件要求、航天器的工作条件要求 执行各种使命的地球应用卫星往往要求卫星执行各种使命的

17、地球应用卫星往往要求卫星- -地球地球- -太阳之间太阳之间有一定的相对位置。而且卫星有特定的姿势，以保证卫星能有一定的相对位置。而且卫星有特定的姿势，以保证卫星能正常的工作和完成预定的任务。正常的工作和完成预定的任务。航天运输系统航天发射场航天发射场是航天发射场是发射运载火箭或航天飞机将各种航天器送入太发射运载火箭或航天飞机将各种航天器送入太空的地方。也有的叫卫星发射场、发射基地、发射中心等。空的地方。也有的叫卫星发射场、发射基地、发射中心等。航天发射场是一套为保障运载火箭和航天器的装配、测试、航天发射场是一套为保障运载火箭和航天器的装配、测试、加注、发射、外弹道测量、发送指令和处理测量信息

18、而专门加注、发射、外弹道测量、发送指令和处理测量信息而专门建造的地面设备和设施的总称。建造的地面设备和设施的总称。 1、技术区、技术区 技术区是航天发射场的重要组成部分，建筑设施配有各种通技术区是航天发射场的重要组成部分，建筑设施配有各种通用和专用设备，可对运载火箭和航天器进行验收、存放、组用和专用设备，可对运载火箭和航天器进行验收、存放、组装、测试和定期检查。一个发射场可设一个或几个技术区，装、测试和定期检查。一个发射场可设一个或几个技术区，如可分运载工具和航天器两个技术区。在确保安全的条件下，如可分运载工具和航天器两个技术区。在确保安全的条件下，技术区与发射区之间相隔的距离要尽可能短，以节

19、省修路和技术区与发射区之间相隔的距离要尽可能短，以节省修路和运输费用。运输费用。 2、发射区、发射区 发射区是对航天器实施发射的场所，配备有一整套为发射服发射区是对航天器实施发射的场所，配备有一整套为发射服务的专用和通用设备和建筑。发射区接纳来自技术区的运载务的专用和通用设备和建筑。发射区接纳来自技术区的运载工具和航天器，并将它们起竖到发射台上，进行发射前的最工具和航天器，并将它们起竖到发射台上，进行发射前的最后测试（垂直组装和运输的不需要测试），然后加注推进剂后测试（垂直组装和运输的不需要测试），然后加注推进剂和充填压缩气体，最后完成发射。一个发射场也可设置多个和充填压缩气体，最后完成发射。

20、一个发射场也可设置多个发射区，发射区之间有一定的间距要求。发射区，发射区之间有一定的间距要求。航天发射场航天发射场航天发射场肯尼迪航天中心肯尼迪航天中心拜科鲁尔航天中心拜科鲁尔航天中心中国的航天发射场中国的航天发射场 中国的航天发射场主要有三个：西中国的航天发射场主要有三个：西昌卫星发射中心、酒泉卫星发射中昌卫星发射中心、酒泉卫星发射中心和太原卫星发射中心。心和太原卫星发射中心。航天发射场3、测控系统、测控系统 测控系统是设置在发射区和航区上的一系列地面测控站和测控系统是设置在发射区和航区上的一系列地面测控站和海上专用测量船，用来测量航迹、发送指令、接收和处理海上专用测量船，用来测量航迹、发送指令、接收和处理运载工具和航天器发出的遥测信息等。位于发射区的测控运载工具和航天器发出的遥测信息等。位于发射区的测控系统除了对运载工具起飞和飞行的初始阶段跟踪测量外，系统除了对运载工具起飞和飞行的初始阶段跟踪测量外，更重要的是为了确保发射区安全，提供安全控制信息。更重要的是为了确保发射区安全，提供安全控制信息。航天发射场航天测控系统按其测控的航天器类型的不同，大体上航天测控系统按其测控的航天器类型的不同，大体上可分为：卫星测