我国航天技术发展情况

这是一个科告的幻灯片文稿自己看看把，里面有要的东西，请加分，谢谢“我地球是圆的，因为我看见了圆形；然后，又看到它还是立体的。当我往下看时，……看到印度洋上船舶拖着尾波前进，非洲一些地方出现灌木林火，一场雷电交加的暴风雨席卷了澳大利亚1000英里的地区，呈现出大自然的一幅立体风景画。”这是航天员在谈到从航天飞机上看地球的情景时的一段描述。航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一，它推动着人类科学技术的进步，使人类活动的领域由大气层内扩展到宇宙空间。航天技术是现代科学技术的结晶，是基础科学和技术科学的集成，航天技术是一个**科学技术水平的重要标志。航天技术是一门综合性的工程技术，主要包括：制导与控制技术，热控制技术，喷气推进技术，能源技术，空间通信技术，遥测遥控技术，生命保障技术，航天环境工程技术，火箭及航天器的设计、制造和试验技术，航天器的发射、返回和在轨技术等。由多种技术融于一体的航天系统是现代高技术的复杂大系统，不仅规模庞大，技术高新、尖端，而且人力、物力耗费巨大，工程周期长。时至今日，航天技术已被广泛应用到**、军事、经济和科学探测等领域，已成为一个**综合国力的象征。人类很早就有遨游太空、征服宇宙的理想。宇宙的星球对人类一直充满着吸引力和神秘感，许多美丽的神话和传说，反映了人类对宇宙的向往和探索空间奥秘的心情。《嫦娥奔月》、《牛郎织女》，以及孙悟空腾云驾雾、一个筋斗十万八千里等。航天飞行的历史是从火箭技术的历史开始的，没有火箭也就没有航天飞行。追溯源头，**是最早发明火箭的**。“火箭”这个词在三国时代(公元220～280年)就出现了。不过那时的火箭只是在箭杆前端绑有易燃物，点燃后由**射出，故亦称为“燃烧箭”。• 随着**古代四大发明之一的**出现，**便取代了易燃物，使火箭迅速应用到军事中。公元lo世纪唐末宋初就已经有了**用于火箭的文字记载，这时的火箭虽然使用了**，但仍须由**射出。真正靠**喷气推进而非**射出的火箭的外形被记载于明代茅元仪编著的《武备志》中，见图1.1。这种原始火箭虽然没有现代火箭那样复杂，但已经具有了战斗部(箭头)、推进系统(**筒)、稳定系统(尾部羽毛)和箭体结构(箭杆)，完全可以认为是现代火箭的雏形。中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用了串联(多级)和并联(捆绑)技术以提高火箭的运载能力。明代史记中记载的“神火飞鸦”就是并联技术的体现；“火龙出水”就是串、并联综合技术的具体运用，如图1.2所示。世界上第一个试图乘坐火箭上天的“航天员”也出现在**。相传在14世纪末期，**有位称为“万户”的人，两手各持一大风筝，请他人把自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有47支当时最大的火箭(又称“起火”)。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力来实现“升空”的理想。“万户”的勇敢尝试虽遭失败并献出了生命，但他仍是世界上第一个想利用火箭的力量进行飞行的人。19世纪末20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物k．3．齐奥尔科夫斯基(~ohctahthh3ayap且obhq uhoakobckhfi)，r．戈达德(robert goddard)，h．奥伯特(hermann oberth)。**科学家齐奥尔科夫斯基一生从事利用火箭技术进行航天飞行的研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明了用多级火箭可以克服地心引力进入太空的论点。1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。3、指出过用新的燃料(原子核分解的能量)来作火箭的动力；并具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的条件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵来控制火箭，用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火箭等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。美国的火箭专家、物理学家和现代航天学奠基人之一戈达德博士在1910年开始进行近代火箭的研究工作，他在1919年发表的《达到极大高度的方法》的论文中，阐述了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有7．9 km／s的速度才能克服地球的引力，并研究了利用火箭把有效载荷送至月球的几种可能方案。德国的奥伯特教授在他1923年出版的《飞向星际空间的火箭》一书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够的推力，便能绕地球轨道飞行。同齐奥尔科夫斯基和戈达德一样，他也对许多推进剂的组合进行了广泛的研究。在1932年德国发射a2火箭，飞行高度达到3 km。1942年10月3日，德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道**¡ª¡ªv¡ª2(a4型)，并于1944年9月6日首次投入作战使用。v-2的成功在工程上实现了19世纪末、20世纪初航天技术先躯者的技术设想，并培养和造就了一大批有实践经验的火箭专家，对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。v-2的设计虽不尽完善，但它却是人类拥有的第一件向地球引力挑战的工具，成为航天技术发展史上的一个重要里程碑。• 1957年10月4日，**用¡°卫星¡±号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外径o．58 m，外伸4根条形天线，质量83．6 kg，卫星在天上正常工作了3个月。按照今天的标准衡量，**的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆球，但它却是世界上第一个人造天体，把人类几千年的梦想变成了现实，为人类开创了航天新纪元，标志着人类活动范围的又一飞跃。• 1961年4月12日，**成功地发射了第一艘¡°东方号¡±载人飞船，尤里.加加林成为人类第一位航天员，揭开了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新时代。• 1962年8月27日，美国发射的“水手2号”探测器第一次成功飞越金星。• 1969年7月20日，美国n．a．阿姆斯特朗和e．e．奥尔德林乘坐¡°阿波罗11号¡±飞船登月成功，在月球静海西南角着陆，成为涉足地球之外另一天体的首批人员。他们在月球上安放了科学实验装置，拍摄了月面照片，搜集了22虹月球岩石与土壤样品，然后自月面起飞，与指挥舱会合，返回地球。首次实现了人类登上月球的理想。• 1971年4月19日，**¡°礼炮1号¡±空间站人轨成功，其质量约18 t，总长14 m，轨道高度200～250 km，轨道倾角51．6。，成为人类第一个空间站，完成了有关天体物理学、航天、医学、生物学等方面的科研计划，考察地球资源和进行长期失重条件下的技术实验。• 1972年3月2日，美国发射了木星和深远空间探测器¡°先驱者10号¡±。它携有表明人类信息的镀金铝板，经过11年飞行，于1983年6月越过海王星轨道，而后成为飞离太阳系的第一个人造天体。• 1975年6月8日，**发射了¡°金星9号¡±探测器，实现了在金星表面着陆。• 1975年7月18日，美国¡°阿波罗号¡±飞船与**¡°联盟19号¡±飞船在大西洋上空对接成功(视频资料)。• 1975年8月20日，美国发射了¡°海盗1号¡±探测器，第一次在火星表面着陆成功(视频资料)。• 1977年9月，美国发射了¡°旅行者2号¡±探测器，对天王星、海王星进行探测。• 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，是航天史上一个重要的里程碑，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。至2000年10月，航天飞机已成功飞行100次。• 1986年2月，**¡°和平号¡±轨道空间站发射成功，它成为目前人类发射的在轨运行时间最长的载人航天器，在轨运行超过15年。2001年3月23日，¡°和平号¡±轨道空间站被引入大气层销毁，完成了其辉煌的历史使命。• 目前，更大规模的国际空间站在美国、俄罗斯、加拿大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行在轨组装建设¡­¡­人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门!• 不难看出，从公元10世纪的**火箭到第二次世界大战的v一2**，人类是出于军事需求发展了火箭技术，而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自 20世纪40年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋完善。• 航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星得到了很大发展。至70年代，军、民用卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。• 回顾近50年来航天技术应用的历程，具有代表性的大事列举如下：• 1958年12月，美国发射了世界上第一颗通信卫星¡°斯科尔号¡±；• 1960年4月，美国先后发射了世界上第一颗气象卫星¡°泰罗斯1号¡±和导航卫星¡°子午仪1b号¡±；• 1963年7月，美国发射了世界上第一颗地球同步轨道通信卫星；• 1964年8月，美国发射了世界上第一颗地球静止轨道通信卫星；• 1965年4月，美国成功地发射了世界上第一颗商用通信卫星¡°国际通信卫星1号¡±，正式为北美与欧洲之间提供通信业务，它标志着通信卫星进入了实用阶段；• 1972年7月，美国发射了世界上第一颗地球资源卫星¡°陆地卫星1号¡±；• 1982年11月，美国航天飞机开始商业性飞行；1984年11月，美国航天飞机成功地施放了两颗卫星并回收了两颗失效的通信卫星，第一次实现了双向运载任务；• 1983年4月，美国发射了世界上第一颗跟踪和数据中继卫星；• 1999年，由66颗小型卫星组网形成的美国¡°铱¡±星全球电话通讯系统建成并投入使用。• 目前，美国的gps系统和俄罗斯的卫星导航系统已成为全世界各领域普遍应用的定位导航系统，发挥着巨大的作用。• 在我国，继1970年4月24日首颗卫星¡°东方红一号¡±发射成功以来，航天技术的发展和应用也取得了巨大的成就：• 1975年11月，我国第一颗返回式遥感卫星发射成功，并顺利回收；• 1984年4月，我国第一颗静止轨道试验通信卫星发射成功；• 1986年2月，我国第一颗静止轨道实用通信卫星发射成功；• 1988年9月，我国第一颗气象卫星¡°风云一号¡±发射成功；• 至2000年10月，我国¡°长征¡±系列运载火箭已成功发射62次。• 进入20世纪90年代，我国航天技术应用的步伐进一步加快，大容量通信卫星¡°东方红三号¡±、气象卫星¡°风云一号¡±和¡°风云二号¡±以及资源卫星先后发射成功。• 1999年11月20日我国成功发射了第一艘试验飞船¡°神舟号¡±，在载人航天领域迈出了坚实的一步¡­¡­综上可见，从1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功算起，迄今仅40余年，航天技术取得了如此巨大的成就是前所未有的，产生了巨大的社会效益与经济效益。总之，随着航天技术应用的发展，航天活动已越来越显示出其巨大的军事意义和经济效益，已成为国民经济和国防建设的一个重要组成部分。反过来，这种社会和经济效益又进一步推动着航天技术日新月异的发展。• 航天技术是一门研究和实现如何把航天器送人空间，并在那里进行活动的工程技术。它主要包括航天器、运载工具和地面测控三大部分。为了便于了解，我们首先对航天器进行分类。• 同一个航天器可兼有数种任务，故机械地、绝对地分类，是不可能的。同一类航天器，往往包括了几种系列，而每一系列又可分成数种不同的卫星系统或型号。• 航天器可分为无人航天器与载人航天器两大类。无人航天器按是否绕地球运行又可分为人造地球卫星和宇宙探测器两类。它们又可以进一步按用途分类，如图1.3所示。• 简称人造卫星，是数量最多的航天器(占90％以上)。它们的轨道长度由i00多公里到几十万公里。按用途它们又可分为：目前的载人航天器只在近地轨道飞行和从地球到月球的登月飞行。今后将出现可以到达各种星球的载人飞船，以及供人类长期在空间生活和工作的永久性空间站。载人航天器按飞行和工作方式可分为：可以重复使用的，往返于地面和高度在1000 km以下的近地轨道之间，运送有效载荷的航天器。3．宇宙探测器旅行者1号 旅行者2号• 按航天器在轨道上的功能来进行分类，就人造地球卫星而言，可分为观测站、中继站、基准站和轨道武器四类。每一类又包括了各种不同用途的航天器。卫星处在轨道上，对地球来说，它站得高，看得远(视场大)，用它来观察地球是非常有利的。此外，由于卫星在地球大气层以外不受大气的各种干扰和影响，所以用它来进行天文观测也比地面天文观测站更加有利。属于这种功能的卫星有下列几种典型的用途。在各类应用卫星中侦察卫星发射得最早(1959年发射)，发射的数量也最多。侦察卫星有照相侦察和电子侦察卫星两种。资源卫星是在侦察卫星和气象卫星的基础上发展而来的。利用星上装载的多光谱遥感器获取地面目标辐射和反射的多种波段的电磁波，然后把它传送到地面，再经过处理，变成关于地球资源的有用资料。它们包括地面的和地下的，陆地的和海洋的等等。海洋卫星的任务是海洋环境预报，包括远洋船舶的最佳航线选择，海洋渔群分析，近海与沿岸海洋资源调查，沿岸与近海海洋环境监测和监视，灾害性海况预报和预警，海洋环境保护和执法管理，海洋科学研究，以及海洋浮标、台站、船舶数据传输，海上军事活动等。• 当然，作为观测站的卫星远不止以上几种，预警卫星、核**探测卫星、天文预测卫星(如美国的“哈勃”太空望远镜)等均属于这一类。虽然它们的功能各有侧重，但基本观测原理都是相似的。2．中继站利用卫星进行通信和平常的地面通信相比较，具有下列优点：①通信容量大；②覆盖面积广；③通信距离远；④可靠性高；⑤灵活性好；⑥成本低。广播卫星是一种主要用于电视广播的通信卫星。这种广播卫星不需要经过任何中转就可向地面转播或发射电视广播节目，供公众团体或者个人直接接收，因此又称为直播卫星。目前普通的家庭电视机配一架直径不到1m的天线就可以直接接收直播卫星的电视广播节目。跟踪和数据中继卫星是通信卫星技术的一个重大发展。它是利用卫星来跟踪与测量另一颗卫星的位置，其基本思想是把地球上的测控站搬到地球同步轨道上，形成星地测控系统网。3．基准站这种卫星是轨道上的测量基准点，所以要求它测轨非常准确。属于这种功能的卫星有：4．轨道武器这是一种积极进攻的航天器，具有空间防御和空间攻击的职能。它主要包括：不同类型的航天器，其系统的结构、外型和功能干差万别，但是它们的基本系统组成都是一致的。典型航天器都是由不同功能的若干分系统组成的，其基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。1．有效载荷用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。有效载荷种类很多，随着飞行任务即航天器功能的不同而异。例如，科学卫星上的粒子探测器，天文观测卫星上的天文望远镜，侦察卫星上的可见光相机、 ccd相机、红外探测器、无线电侦察**，气象卫星上的可见光和红外扫描辐射仪，地球资源卫星上的电视摄像机、ccd摄像机、主题测绘仪、合成孔径雷达，通信卫星上的转发器和通信天线，生物科学卫星上的种子和培养基等，均属有效载荷。• 单一用途的卫星装有一种类型的有效载荷，而多用途的卫星可以装有几种类型的有效载荷。• 2．保障系统• 用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止，星上所有分系统的正常工作。各种类型航天器的保障系统一般包括下列分系统：(1)结构系统：用于支承和固定航天器上各种仪器设备，使它们构成一个整体，以承受地面运输、运载器发射和空间运行时的各种力学环境(振动、过载、冲击、噪声)以及空间运行环境。对航天器结构的基本要求是重量轻、可靠性高、成本低等，因此航天器的结构大多采用铝、镁、钛等轻合金和碳纤维复合材料等制造。通常用结构质量比，即结构重量占航天器总重量的比例来衡量航天器结构设计和制造水平。(3)电源系统：用来为航天器所有仪器设备提供所需的电能。现代航天器大多采用太阳电池和蓄电池联合供电系统。(4)姿态控制系统：用来保持或改变航天器的运行姿态。常用的姿态控制方式有重力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。(5)轨道控制系统：用来保持或改变航天器的运行轨道。轨道控制往往与姿态控制配合，它们构成航天器控制系统。(6)测控系统：包括遥测、遥控和跟踪三部分。遥测部分主要由传感器、调制器和发射机组成，用于测量并向地面发送航天器的各种仪器设备的工程参数(212 作电压、电流、温度等)和其他参数(环境参数和姿态参数等)。遥控部分一般由**和**组成，用于接收地面测控站发来的遥控指令，传送给有关系统执行。跟踪部分主要是信标机和应答机，它们不断发出信号，以便地球测控站跟踪航天器并测量其轨道位置和速度。除了以上基本系统组成外，航天器根据其不同的飞行任务，往往还需要有一些不同功能的专用系统。例如，返回式卫星有回收系统，载人飞船有乘员系统、环境控制与生命保障系统、交会与对接系统，航天飞机有着陆系统等。一个刚体航天器的运动可以由它的位置、速度、姿态和姿态运动来描述。其中位置和速度描述航天器的质心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态运动描述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运动学的观点来说，一个航天器的运动具有6个自由度，其中3个位置自由度表示航天器的轨道运动，另外3个绕质心的转动自由度表示航天器的姿态运动。航天器的控制可以分为两大类，即轨道控制和姿态控制。1．轨道控制轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度，有时也称为空间导航，简称导航；轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标，对质心施以控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为制导。轨道控制按应用方式可分为四类。(1)轨道机动：指使航天器从一个自由飞行段轨道转移到另一个自由飞行段轨道的控制。例如，地球静止卫星发射过程中为进入地球静止轨道，在其转移轨道的远地点就须进行一次轨道机动。(3)轨道交会：指航天器能与另一个航天器在同一时间以相同速度达到空间同一位置而实施的控制过程。(4)再人返回控制：指使航天器脱离原来的轨道，返回进入大气层的控制。2．姿态控制姿态控制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。这个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣的某个基准，例如地球。姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向(可称为参考方向)上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指使姿态保持在指定方向，而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。姿态控制通常包括以下几个具体概念。(1)定向：指航天器的本体或附件(如太阳能电池阵、观测设备、天线等)以单轴或三轴按一定精度保持在给定的参考方向上。此参考方向可以是惯性的，如天文观测；也可以是转动的，如对地观测。由于定向需要克服各种空间干扰以保持在参考方向上，因此需要通过控制加以保持。(2)再定向：指航天器本体从对一个参考方向的定向改变到对另一个新参考方向的定向。再定向过程是通过连续的姿态机动控制来实现的。(3)捕获：又称为初始对准，是指航天器由未知不确定姿态向已知定向姿态的机动控制过程。如航天器人轨时，星箭分离，航天器从旋转翻滚等不确定姿态进入对地对日定向姿态；又如航天器运行过程中因故障失去姿态后的重新定姿等。为了使控制系统设计更为合理，捕获一般分粗对准和精对准两个阶段进行。(4)粗对准：指初步对准，通常须用较大的控制力矩以缩短机动的时间，但不要求很高的定向精度。(5)精对准：指粗对准或再定向后由于精度不够而进行的修正机动，以保证定向的精度要求。精对准一般用较小的控制力矩。(6)跟踪：指航天器本体或附件保持对活动目标的定向。(7)搜索：指航天器对活动目标的捕获。总之，姿态控制是获取并保持航天器在空间定向的过程。例如，卫星对地进行通信或观测，天线或遥感器要指向地面目标；卫星进行轨道控制时，发动机要对准所要求的推力方向；卫星再人大气层时，要求制动防热面对准迎面气流。这些都需要使星体建立和保持一定的姿态。姿态稳定是保持已有姿态的控制，航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。(1)自旋稳定：卫星等航天器绕其一轴(自旋轴)旋转，依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋稳定常辅以主动姿态控制，来修正自旋轴指向误差。(2)三轴稳定：依靠主动姿态控制或利用环境力矩，保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。3．姿态控制与轨道控制的关系航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制，航天器姿态必须符合要求。也就是说，当需要对航天器进行轨道控制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求，而对航天器的姿态却有要求。航天器控制按控制力和力矩的来源可以分为两大类。(1)被动控制：其控制力或力矩由空间环境和航天器动力学特性提供，不需要消耗星上能源。4．主动控制系统的组成航天器主动控制系统，无论是姿态控制系统还是轨道控制系统，都有两种组成方式。(1)星上自主控制：指不依赖于地面干预，完全由星载仪器实现的控制，其系统结构见图1．4(2)地面控制：或称星一地大回路控制，指依赖于地面干预，由星载仪器和地面设备联合实现的控制，其结构见图1．5。 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