哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第7课-空间飞行器轨道控制下

1、空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下1一、一、 交会与对接控制交会与对接控制二、再入返回控制二、再入返回控制第七课_空间飞行器轨道控制下空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下2一、交会与对接控制一、交会与对接控制空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下3空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下4交会对接概念交会对接概念: : 交会交会是

2、指两个或两个以上的航天器在轨道上是指两个或两个以上的航天器在轨道上按预定位置和时间相会按预定位置和时间相会; ; 对接对接则是指两个航天器在轨道上相会后连成则是指两个航天器在轨道上相会后连成一个整体。一个整体。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下5 需要交会的航天器不一定需要对接需要交会的航天器不一定需要对接, ,如轨道拦如轨道拦截等情况截等情况; ;但是需要对接的航天器则一定要首先实但是需要对接的航天器则一定要首先实现交会现交会, ,而且交会还必须达到对接所要求的精度。而且交会还必须达到对接所要求的精度。交会是对接的前提和

3、基础。交会是对接的前提和基础。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下6 一般在要进行交会对接的两个航天器中一般在要进行交会对接的两个航天器中, ,往往一往往一个是个是“主动主动的的”, ,另一个是另一个是“被动被动的的”。 主动航天主动航天器在交会对接过程中完成轨道机动器在交会对接过程中完成轨道机动, ,即即改变自己质心的运动改变自己质心的运动, ,向被动航天器靠近向被动航天器靠近; ; 被动航天器被动航天器不改变自己的质心运动不改变自己的质心运动, ,即运行轨道即运行轨道不变不变, ,仅完成绕质心的转动仅完成绕质心的转动,

4、,使自己的对接装置能够使自己的对接装置能够始终对着主动航天器。这样能够有效地减轻主动航始终对着主动航天器。这样能够有效地减轻主动航天器的控制任务。天器的控制任务。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下7 交会对接通常可以分为交会对接通常可以分为3 3个主要阶段。个主要阶段。 (1)(1)会合阶段会合阶段: :通过远程导引的轨道控制来通过远程导引的轨道控制来实现两个航天器的会合实现两个航天器的会合, ,一般会合在几万米的相一般会合在几万米的相对距离之内。远程导引方法与航天器的轨道机动对距离之内。远程导引方法与航天器的轨道机动没有什

5、么区别。没有什么区别。 (2)(2)接近阶段接近阶段: :通过近程导引的轨道控制使通过近程导引的轨道控制使两个航天器相对距离在两个航天器相对距离在1km1km之内之内, ,相对速度在相对速度在1 11.5 m/s1.5 m/s以下。以下。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下8 有时也将以上两个阶段统称为有时也将以上两个阶段统称为导引段导引段, ,或分或分别称为别称为远程导引段远程导引段或或近程导引段近程导引段。 (3)(3)停靠和对接阶段停靠和对接阶段: :要求两个航天器相对要求两个航天器相对速度为零或者在相对一定距离之内停靠

6、速度为零或者在相对一定距离之内停靠, ,停靠后停靠后进行对接。无碰撞的停靠将为对接创造良好的工进行对接。无碰撞的停靠将为对接创造良好的工作条件。作条件。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下9 在停靠和对接阶段在停靠和对接阶段, ,两个航天器相互靠近的相对速两个航天器相互靠近的相对速度具有严格的度具有严格的限制极限限制极限。限制极限的。限制极限的上限上限是航天器的是航天器的强度强度, ,若超过了将导致航天器撞毁若超过了将导致航天器撞毁; ;而而下限下限则受对接装则受对接装置可靠工作的制约置可靠工作的制约, ,若达不到则对接不能可

7、靠完成。若达不到则对接不能可靠完成。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下10 两个航天器的姿态应当保证在所有的时间内两个航天器的姿态应当保证在所有的时间内, ,两者的对接组件轴在同一条直线上且相互对准两者的对接组件轴在同一条直线上且相互对准, ,以保证对接组件接触后的正常工作。以保证对接组件接触后的正常工作。 要实现这一点要实现这一点, ,就要求主动航天器在固定姿就要求主动航天器在固定姿态的情况下态的情况下( (即没有任何转动即没有任何转动) )能够能够前进和后退前进和后退, ,能够在任何方向能够在任何方向侧移侧移。 因此必

8、须在航天器上配置纵向和侧向运动所因此必须在航天器上配置纵向和侧向运动所需的需的小发动机或推力器小发动机或推力器。停靠和对接阶段姿态要求停靠和对接阶段姿态要求: :空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下11 会合阶段主要是轨道控制会合阶段主要是轨道控制, ,也就是也就是制导问题制导问题; ; 接近阶段大部分仍然属于接近阶段大部分仍然属于轨道控制轨道控制, ,只是在只是在短距离的制导中还要有比较粗的短距离的制导中还要有比较粗的姿态控制姿态控制; ; 停靠和对接阶段同时要进行小距离停靠和对接阶段同时要进行小距离轨道机动轨道机动和精确和

9、精确姿态控制姿态控制, ,还是交会对接中最关键的阶段。还是交会对接中最关键的阶段。 从上述空间交会和对接各阶段的顺序和相对从上述空间交会和对接各阶段的顺序和相对运动可以看出运动可以看出: :空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下12 下图表示了空间交会对接的控制程序。横坐下图表示了空间交会对接的控制程序。横坐标表示两个航天器的相对距离标表示两个航天器的相对距离, ,纵坐标表示实现纵坐标表示实现控制的相应方法。控制的相应方法。空间交会对接飞行程序空间交会对接飞行程序空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空

10、间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下13 （1 1）手动操作手动操作: :由航天员在轨道上亲自观察由航天员在轨道上亲自观察和操作和操作, ,这是目前比较成熟的方法。但是这是目前比较成熟的方法。但是, ,对航天对航天员来说这是一项繁重的工作员来说这是一项繁重的工作, ,这种方式仅适用于这种方式仅适用于载人航天器载人航天器; ; （2 2）遥控操作遥控操作( (非自主非自主) ): :由地面站通过遥测由地面站通过遥测和遥控来实现和遥控来实现, ,要求全球设站或有中继卫星协助要求全球设站或有中继卫星协助; ; （3 3）自动控制自动控制: :不依靠航天员不依靠航天员, ,由星上设备和由星上设备和地

11、面站相结合实现交会对接地面站相结合实现交会对接; ; 空间交会对接的控制方式空间交会对接的控制方式有有4 4种。种。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下14 （4 4）自主控制自主控制: :不依靠地面站不依靠地面站, ,完全由星上完全由星上设备来实现设备来实现, ,特别对不载人航天器最合适。特别对不载人航天器最合适。 其中其中, ,自主交会对接自主交会对接由于敏感器和控制器由于敏感器和控制器( (计算机计算机) )的作用的作用, ,一般都反应迅速而准确。一般都反应迅速而准确。 自主交会对接系统自主交会对接系统比较复杂比较复杂

12、, ,而且技术上难而且技术上难度较大。前苏联已经进行了多次实验度较大。前苏联已经进行了多次实验, ,并且获得并且获得成功。成功。 随着今后计算机和空间机器人迅速的发展随着今后计算机和空间机器人迅速的发展, ,自主交会对接自主交会对接是今后发展的方向。是今后发展的方向。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下15 自动和自主交会对接最自动和自主交会对接最关键的技术关键的技术是是测量方测量方法法和和敏感器敏感器。 由于交会对接各阶段测量范围和精度不同由于交会对接各阶段测量范围和精度不同, ,需要采用多种测量方法和敏感器需要采用多种测量

13、方法和敏感器, ,很难用一种敏很难用一种敏感器完成整个交会对接的测量任务。感器完成整个交会对接的测量任务。 远距离一般采用远距离一般采用交会雷达交会雷达, ,近距离可用近距离可用电视电视摄像和光学成像敏感器摄像和光学成像敏感器。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下16 燃料消耗量、交会花费时间和交会终点所达燃料消耗量、交会花费时间和交会终点所达到的精度三方面。到的精度三方面。 在系统设计中若需要满足某一个指标为主在系统设计中若需要满足某一个指标为主, ,而其他两个指标处在从属地位而其他两个指标处在从属地位, ,一般应用系统工一

14、般应用系统工程方法程方法, ,根据空间交会和对接的具体任务根据空间交会和对接的具体任务, ,全面论全面论证这三方面指标的相互关系和主从关系。证这三方面指标的相互关系和主从关系。空间交会控制系统设计指标空间交会控制系统设计指标空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下17再入返回原理再入返回原理 航天器的发射是一个加速过程航天器的发射是一个加速过程, ,即在运载火即在运载火箭的推动下箭的推动下, ,航天器由静止到运动航天器由静止到运动, ,由低速到高速由低速到高速, ,最后达到飞行的目的。最后达到飞行的目的。 而航天器的返回实际上是发

15、射的逆过程而航天器的返回实际上是发射的逆过程, ,即即要使高速飞行的航天器减速要使高速飞行的航天器减速, ,最后降落在地面上。最后降落在地面上。8.5 航天器的再入返回控制航天器的再入返回控制二、二、再入返回再入返回控制控制空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下18空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下19 从理论上讲从理论上讲, ,航天器的返回航天器的返回, ,可以用与发射可以用与发射方向相反的火箭方向相反的火箭, ,沿着发射轨道和发射过程逆向沿着发射轨道和发射

16、过程逆向地进行减速。这就需要相当大的动力装置和相当地进行减速。这就需要相当大的动力装置和相当多的推进剂多的推进剂, ,而这些返回用的动力装置和推进剂而这些返回用的动力装置和推进剂在发射过程中又成为运载火箭的有效载荷。在发射过程中又成为运载火箭的有效载荷。 这样势必使发射航天器的起飞重量大大增加这样势必使发射航天器的起飞重量大大增加, ,所以这个方法很不经济所以这个方法很不经济, ,在工程实践中不采用它。在工程实践中不采用它。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下20 更好的办法是更好的办法是利用地球表面大气层的空气阻力来利用地球

17、表面大气层的空气阻力来使航天器减速使航天器减速。 减速过程减速过程: : 首先利用一小段推力首先利用一小段推力, ,使航天器离开使航天器离开原来的运行轨道原来的运行轨道, ,转入朝向大气层的轨道转入朝向大气层的轨道, ,此后不再使此后不再使用火箭的动力来减速。用火箭的动力来减速。 由于航天器以一定速度在大气中飞行由于航天器以一定速度在大气中飞行, ,必然受到必然受到大气的阻力作用大气的阻力作用, ,使航天器逐渐减速使航天器逐渐减速, ,降落到地面上。降落到地面上。 优点优点: :节省推进剂、减轻火箭装置的重量。节省推进剂、减轻火箭装置的重量。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七

18、课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下21 航天器再入大气层时的速度很高航天器再入大气层时的速度很高, ,可达可达7km/s7km/s以上以上, ,所以作用在航天器上的所以作用在航天器上的空气阻力空气阻力很大很大, ,最大最大可达到它本身重量的几倍到十几倍。可达到它本身重量的几倍到十几倍。 航天器以几倍甚至十几倍于重力加速度航天器以几倍甚至十几倍于重力加速度g g的负的负加速度进行减速。加速度进行减速。 航天器在空气阻力的作用下急剧减速航天器在空气阻力的作用下急剧减速, ,速度由速度由刚进入大气层时的宇宙速度很快地降低到刚进入大气层时的宇宙速度很快地降低到15 km15 km高

19、高度以下的亚音速度以下的亚音速, ,即即200m/s200m/s左右左右, ,最后再进一步采最后再进一步采取减速措施取减速措施, ,如用降落伞如用降落伞, ,使航天器减速到安全着使航天器减速到安全着陆速度。陆速度。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下22 这种方法只须用一个能量不大的制动火箭这种方法只须用一个能量不大的制动火箭, ,作用很短的一段时间作用很短的一段时间, ,使航天器离开原来的运行使航天器离开原来的运行轨道轨道, ,转入朝向大气层的轨道转入朝向大气层的轨道, ,以后就不再使用火以后就不再使用火箭的动力来减速。这是

20、目前工程上普遍使用的方箭的动力来减速。这是目前工程上普遍使用的方法。法。 缺点缺点: :航天器要经受很高的气动加热航天器要经受很高的气动加热, ,如果没如果没有采取特殊的措施有采取特殊的措施, ,航天器将烧毁。航天器将烧毁。 对策对策: :增加防热层。增加防热层。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下23 落点精度落点精度; ; 再人大气层的航天器表面受热限制再人大气层的航天器表面受热限制; ; 如果是载人航天器须考虑人体安全如果是载人航天器须考虑人体安全, ,还要还要求减速度限制。求减速度限制。再入和返回控制大致有三项要求再入

21、和返回控制大致有三项要求: :空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下24 （1 1）离轨段）离轨段 （2 2）过渡段）过渡段 （3 3）再入段）再入段 （4 4）着陆段）着陆段 再入返回的过程再入返回的过程空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下25 （1 1）离轨段）离轨段 该段从返回制动或返回变轨装置该段从返回制动或返回变轨装置( (通常是火通常是火箭发动机箭发动机) )开始工作起至其结束工作时止开始工作起至其结束工作时止, ,所以该所以该阶段也称为制动飞行段。

22、阶段也称为制动飞行段。 在返回制动或返回变轨装置推力的作用在返回制动或返回变轨装置推力的作用 下下, ,航天器离开原来的轨道航天器离开原来的轨道, ,并进入一条引向地面并进入一条引向地面的轨道。的轨道。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下26 （2 2）过渡段）过渡段 该段是从返回制动或返回变轨装置工作结束该段是从返回制动或返回变轨装置工作结束到进入地球大气层之前的被动段。到进入地球大气层之前的被动段。 在这一阶段在这一阶段, ,航天器轨道不加以控制航天器轨道不加以控制, ,沿过渡沿过渡轨道自由下降。轨道自由下降。 但有时为了

23、保证航天器能够准确、准时地进但有时为了保证航天器能够准确、准时地进入下一阶段再入段入下一阶段再入段, ,往往要对轨道进行几次修正。往往要对轨道进行几次修正。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下27 （3 3）再入段）再入段 该段是航天器进入大气层后该段是航天器进入大气层后, ,在大气中运动在大气中运动的阶段。在此段中的阶段。在此段中, ,航天器要经受严重的气动加航天器要经受严重的气动加热、外压和大过载的考验热、外压和大过载的考验, ,因此再入段轨道的研因此再入段轨道的研究是整个返回轨道研究中的重点。究是整个返回轨道研究中的重

24、点。 再入时的速度方向与当地水平线的夹角为再入时的速度方向与当地水平线的夹角为, ,称为再入角称为再入角, ,再入角的大小直接影响到航天器在再入角的大小直接影响到航天器在大气层里所受的气动力加热、过载和返回时的航大气层里所受的气动力加热、过载和返回时的航程。程。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下28 再入角太小再入角太小, ,航天器可能只在稠密大气层的航天器可能只在稠密大气层的边缘掠过而进入不了大气层边缘掠过而进入不了大气层; ; 再入角过大再入角过大, ,航天器受到的空气阻力会很大航天器受到的空气阻力会很大, ,过载可能超

25、过允许值过载可能超过允许值, ,同时气动力加热也会过于同时气动力加热也会过于严重。严重。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下29航天器的再入轨道范围航天器的再入轨道范围 “再入走廊再入走廊”的大小可以由再入角的范围表示的大小可以由再入角的范围表示, , 上限对应于上限对应于最小再入角最小再入角, ,是航天器能进入大是航天器能进入大气层而不再回到空间的一条界线气层而不再回到空间的一条界线; ; 下限对应于下限对应于最大再入角最大再入角, ,是航天器承受过载是航天器承受过载极限值或气动力加热极限值的界线极限值或气动力加热极限值的

26、界线; ; 二 者 之 差 是 所 允 许 的 再 入 角 范 围二 者 之 差 是 所 允 许 的 再 入 角 范 围 , ,即即 。minmax空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下30“再入走廊再入走廊”空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下31 “再入走廊再入走廊”也可用也可用走廊宽度走廊宽度表示。表示。 再入角的上、下限各相应于一条过渡轨道再入角的上、下限各相应于一条过渡轨道, ,假定在无大气层情况下假定在无大气层情况下, ,航天器沿上、下限椭圆航天器沿

27、上、下限椭圆形过渡轨道飞过近地点形过渡轨道飞过近地点, ,上、下限两条轨道近地上、下限两条轨道近地点高度之差称为点高度之差称为走廊宽度走廊宽度。 不同的航天器有不同的气动特性、不同的防不同的航天器有不同的气动特性、不同的防热结构和不同的最大过载允许值热结构和不同的最大过载允许值, ,因而有不同的因而有不同的再入走廊宽度。再入走廊宽度。 但一般说来航天器的再入走廊都比较狭窄但一般说来航天器的再入走廊都比较狭窄, ,所以要准确地把航天器导入走廊所以要准确地把航天器导入走廊, ,必须在此之前必须在此之前控制和调整航天器的姿态。控制和调整航天器的姿态。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七

28、课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下32（4 4）着陆段）着陆段 当航天器下降到当航天器下降到20km20km以下的高度时以下的高度时, ,进一步采取进一步采取减速措施减速措施, ,保证其安全着陆。这一阶段又称为保证其安全着陆。这一阶段又称为“回收回收段段”。 航天器着陆的方式航天器着陆的方式, ,有有垂直着陆垂直着陆和和水平着陆水平着陆两种。两种。 垂直着陆垂直着陆采用降落伞系统采用降落伞系统, ,从降落伞开始工作之从降落伞开始工作之点到航天器的软着陆点这段轨道称为降落伞着陆段。点到航天器的软着陆点这段轨道称为降落伞着陆段。 水平着陆水平着陆的航天器具有足够的升力的航天器具

29、有足够的升力, ,能够连续下能够连续下滑滑, ,并在跑道上着陆滑跑。并在跑道上着陆滑跑。 在水平着陆情况下在水平着陆情况下, ,从航天器到达着陆导引范围从航天器到达着陆导引范围, ,并开始操纵活动的翼面控制升力和阻力分布机动飞行并开始操纵活动的翼面控制升力和阻力分布机动飞行时起时起, ,到航天器到达着陆点这段轨道称为导引着陆段。到航天器到达着陆点这段轨道称为导引着陆段。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下33 降落伞着陆段降落伞着陆段, ,一般都是在航天器接近平衡一般都是在航天器接近平衡速度之后速度之后, ,继续减速到降落伞

30、系统能可靠工作的继续减速到降落伞系统能可靠工作的速度和高度时开始的。速度和高度时开始的。 航天器的平衡速度指航天器受到的气动阻力航天器的平衡速度指航天器受到的气动阻力D D等于它所受重力时的速度。等于它所受重力时的速度。 导引着陆段导引着陆段, ,一般是在航天器下降到一定高一般是在航天器下降到一定高度度, ,气动力的作用大到操纵活动翼面可以控制航气动力的作用大到操纵活动翼面可以控制航天器的机动飞行和下滑状况时开始的。以后的飞天器的机动飞行和下滑状况时开始的。以后的飞行就与飞机进场着陆相类似了。行就与飞机进场着陆相类似了。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行

31、器轨道控制下空间飞行器轨道控制下34空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下35 航天器的再入返回分为航天器的再入返回分为弹道式弹道式、弹道弹道- -升力升力式式、升力式升力式3 3种方式。种方式。 这是根据航天器在再入段的不同气动力特性这是根据航天器在再入段的不同气动力特性来分类的。来分类的。 在大气层中在大气层中, ,航天器所受空气动力分为沿速航天器所受空气动力分为沿速度反方向的阻力度反方向的阻力D D和垂直于速度方向的升力和垂直于速度方向的升力Y Y两个两个分量。升力和阻力大小之比分量。升力和阻力大小之比Y YD D称为升阻

32、比。称为升阻比。 再入返回方式再入返回方式 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下36 一般升阻比在一般升阻比在O OO.1O.1范围内的航天器的再范围内的航天器的再入返回为入返回为弹道式再入返回弹道式再入返回 升阻比在升阻比在O.1O.1O.5O.5之间的为之间的为弹道弹道- -升力式再升力式再入返回入返回 而当升阻比大于而当升阻比大于O.5O.5的则为的则为升力式升力式空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下37 采用弹道式再入返回方式的航天器升阻比为采用弹道式

33、再入返回方式的航天器升阻比为零或接近于零零或接近于零(O(OO.1),O.1),在空气中运动只产生阻在空气中运动只产生阻力而不产生升力力而不产生升力, ,或者只产生很有限的升力或者只产生很有限的升力, ,但此但此升力是无法控制的升力是无法控制的. . 此类航天器一旦脱离原来的运行轨道此类航天器一旦脱离原来的运行轨道, ,就沿就沿着预定的弹道无控制地返回地面。着预定的弹道无控制地返回地面。 这与弹道式导弹的弹头运动相似这与弹道式导弹的弹头运动相似, ,故称为故称为弹弹道式道式。 （1 1）弹道式再入返回）弹道式再入返回 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨

34、道控制下空间飞行器轨道控制下38 弹道式再入返回的优点弹道式再入返回的优点: : 由于没有升力由于没有升力, ,所以航天器的气动外形很简所以航天器的气动外形很简单单, ,通常采用钝头的轴对称旋转体外形通常采用钝头的轴对称旋转体外形, ,如圆球体、如圆球体、圆锥体等圆锥体等; ; 航天器在大气层里经历的时间很短航天器在大气层里经历的时间很短, ,因此气因此气动力加热的总加热量相对地要小些动力加热的总加热量相对地要小些, ,防热结构较防热结构较简单简单; ; 弹道式再入航天器是返回式航天器中最简单弹道式再入航天器是返回式航天器中最简单的一种的一种, ,技术上易于实现。技术上易于实现。 空间飞行器动

35、力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下39弹道式再入返回的缺点弹道式再入返回的缺点: : 由于在大气层内的运动是无控的由于在大气层内的运动是无控的, ,再入返回再入返回过程中没有校正落点位置偏差的可能过程中没有校正落点位置偏差的可能, ,因此要求因此要求回收区域很大回收区域很大; ; 其次其次, ,由于弹道式再入返回的航天器减速很由于弹道式再入返回的航天器减速很快快, ,所以产生的热流密度峰值和过载峰值是各种所以产生的热流密度峰值和过载峰值是各种方式中最大的。方式中最大的。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空

36、间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下40 弹道弹道- -升力式再入返回的航天器是一种既保升力式再入返回的航天器是一种既保持弹道式航天器结构简单和防热易于处理的特点持弹道式航天器结构简单和防热易于处理的特点, ,又能适当地利用升力又能适当地利用升力, ,在一定程度上克服弹道式在一定程度上克服弹道式再入返回缺点的航天器。再入返回缺点的航天器。 在结构上在结构上, ,它它将重心位置配置在偏离中心轴将重心位置配置在偏离中心轴的一段很小的距离上的一段很小的距离上。 这样这样, ,航天器航天器( (除球状外形之外除球状外形之外) )在气流中能在气流中能产生一定的攻角产生一定的攻角, ,相应地产生一定的升

37、力。相应地产生一定的升力。（2 2）弹道）弹道- -升力式再入返回升力式再入返回 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下41弹道-升力式再入返回的升力是有限的升力是有限的, ,不超过阻不超过阻力的一半。力的一半。 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下42 从外形上看从外形上看, ,采用弹道采用弹道- -升力式再入返回的航升力式再入返回的航天器基本上保持了弹道式航天器的外形结构简单天器基本上保持了弹道式航天器的外形结构简单的特点。的特点。 以上两种再入返回式航天器

38、没有或只有很有以上两种再入返回式航天器没有或只有很有限的升力限的升力, ,所以只能垂直降落。所以只能垂直降落。 在接近地面之前在接近地面之前, ,还需要有一套降落伞系统还需要有一套降落伞系统来统一减速来统一减速, ,才能保证安全着陆。才能保证安全着陆。空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下43 当要求航天器水平着陆时当要求航天器水平着陆时, ,必须给航天器足必须给航天器足够大的升力够大的升力, ,使再入轨道使再入轨道, ,特别是着陆段平缓到适特别是着陆段平缓到适合水平着陆的程度。合水平着陆的程度。 航天器的升力增大航天器的升力增大, ,在再入段调整升力在再入段调整升力, ,可以可以增大调整轨道增大调整轨道( (机动飞行机动飞行) )的能力的能力, ,平缓再入段和平缓再入段和增大机动飞行的范围增大机动飞行的范围, ,使航天器水平着陆和着陆使航天器水平着陆和着陆到指定的机场跑道上成为可能。到指定的机场跑道上成为可能。（3 3）升力式再入返回）升力式再入返回 空间飞行器动力学与控制空间飞行器动力学与控制 第七课第七课_ _空间飞行器轨道控制下空间飞行器轨道控制下44 要求航天器