航天器知识大全

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航天器的分类

  航天器具有多种分类方法,即可以按照其轨道性质、科技特点、质量大小、应用领域进行分类。按照应用领域进行分类。是使用*广泛的航天器分类法。

  航天器分为**航天器、民用航天器和军民两用航天器,这三种航天器都可以分为无人航天器和载人航天器。无人航天器分为人造地球卫星、空间探测器和货运飞船。载人航天器分为载人飞船、空间站和航天飞机、空天飞机。

  人造地球卫星分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。科学卫星分为空间物理探测卫星和天文卫星。应用卫星分为通信卫星、气象卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、侦察卫星、预警卫星、海洋监视卫星、截击卫星和多用途卫星等。

  空间探测器分为月球探测器、行星及其卫星探测器、行星际探测器和小行星探测器。

  

航天器轨道控制

  航天器轨道控制对航天器施加控制力,改变其质心运动轨道的技术和方法。它包括轨道机动和轨道修正。无摄动力或控制力的航天器的质心运动服从开普勒定律。 但是当航天器受到外部摄动力作用后偏离预定的运行轨道或者需要改变到另一个轨道飞行时,必须通过控制来改变航天器质心运动的速度向量。 实现航天器轨道控制的一整套装置或系统称为航天器轨道控制系统。

  航天器的轨道控制包括三种功能:导航、制导和控制。

  导航就是通过对导航设备所测得的数据的处理,获得航天器相对于某个参考坐标系的实时运动参数(位置向量和速度向量),也称实时轨道确定。广义上的导航也包括实时姿态确定。导航分为非自主和自主两大类。依赖于地面设备(测距、测向、测速等无线电和光学设备以及地面计算机等)的支持获得航天器轨道运动参数的方法称为非自主导航。不依赖于地面设备的支持,完全由安装在航天器内部的设备(测量相对于自然或人造天体的方向或距离的仪器和航天器载计算机等)实时获得航天器轨道运动参数的方法称为自主导航。航天器自主导航有惯性导航、天文导航和利用导航卫星星座导航等方法。自主导航需要相对于基准坐标系的**姿态信息。用于改变航天器质心运动速度向量的控制力有反作用推力和自然环境力(如行星引力、气动力、太阳辐射压力和地磁力)等。

  制导就是根据航天器实时的运动参数、标准轨道或*终目标和约束条件,确定达到目标轨道或*终目标的机动程序,发出制导指令。

  控制就是按照制导指令对航天器施加适当的控制力和控制力矩,改变航天器的飞行速度和飞行方向并稳定其姿态,使它沿着满足飞行任务要求的目标轨道飞行。航天器的轨道一般由主动飞行段和自由飞行段(也称被动飞行段)组成。主动飞行段是航天器轨道控制发动机(又称变轨发动机)点火段,发动机熄火后是自由飞行段。自由飞行段的轨道由主动飞行段结束时航天器的位置和速度向量、引力场和其他外部环境摄动力向量决定。

  航天器的轨道控制常使用喷气发动机和小推力电推进器。由于产生反作用推力的轨道控制发动机(常称变轨发动机,如地球静止卫星上的远地点发动机 和位置保持发动机,返回型侦察卫星上的制动火箭等)一般是沿航天器本体轴方向固定安装的,因此,改变和稳定航天器轨道控制力的方向需要调整和稳定航天器的姿态(见航天器姿态控制)。

  轨道机动将航天器由一个轨道变到另一个要求的轨道上所进行的控制。是一种有意偏离现 有轨道的操作。机动前后的两个轨道可以在同一平面内,也可以在不同平面内。

  航天飞机具有施放、捕捉和回收卫星, 与空间站交会对接(见航天器交会对接技术)以及**返回地面的能力,因此配有复杂的轨道控制系统。使已完成任务的卫星脱离原来的轨道,以免成为空间碎片所 进行的离轨控制,也是一种轨道机动。轨道修正为消除航天器的入轨误差或作用在航天器上的摄动力引起的轨道误差所进行的控制。它是一种对航天器偏离预定的运行轨道的校正,这时轨道控制的速度增量较小。利用卫星上的动力调整卫星的速度,修正轨道参数,使卫星运行轨道与标准轨道的偏离量限制在给定范围内(常以星下点的偏离值来表征),叫轨道保持。地球静止卫星的标准星下点在赤道上某个指定的位置(定点位置)上,因此静止卫星的轨道保持又称位置保持。地球静止卫星位置保持的作用是使卫星相对于地球的位置保持不变。理想的地球静止卫星要求轨道周期与地球自转周期相等、偏心率和倾角都为零。实际上,当地球静止卫星在位置捕获后由于受到地球三轴性(非球形)、太阳和月球的引力以及太阳辐射压力等摄动因素的作用,卫星的位置会偏离预定的定点位置。为了把卫星的位置变化限制在很小的范围内, 必须进行轨道修正。

  目前多数通信卫星的位置保持采用非自主的地面控制方式,即在地面完成轨道确定,当卫星漂移到规定界限时,经上行遥控发射装置向卫星发出位置保持发动机点火指令。姿态控制系统将发动机的推力保持在要求的方向上。 地球静止卫星的位置保持精度也叫定点精度, 常以实际的星下点经纬度和要求的星下点经纬度之差来表示。 一般定点精度可做到在东西方向和南北方向均为 0.1°。照相侦察卫星和气象卫星等近地轨道观测卫星常常采用太阳同步轨道和回归轨道。为了消除入轨误差和摄动力的影响,实现较长时间的太阳“同步”以及轨道周期在较长时间内保持不变,卫星必须具有轨道修正系统。有些照相侦察卫星采用轨道维持系统来维持照相所需的高度。有一种装有扰动补偿器的无阻力卫星,用扰动补偿器消除气动力和太阳辐射压力等非重力场的力对卫星轨道的影响,使卫星沿纯重力场轨道运行。这是一种自主式轨道维持,主要应用于导航卫 星。对于组网的或组成星座的多颗卫星系统, 如采用多星定位制的几颗电子侦察卫星以及“导航星”全球定位系统,为了严格保持卫星之间的相对位置,必须采用轨道维持系统。

  

航天器的作用

  航天器的出现使人类的活动范围从地球大气层扩大到广阔无垠的宇宙空间,引起了人类认识自然和改造自然能力的飞跃,对社会经济和社会生活产生了重大影响。

  航天器在地球大气层以外运行,摆脱了大气层阻碍,可以接收到来自宇宙天体的全部电磁辐射信息,开辟了全波段天文观测;航天器从近地空间飞行到行星际空间飞行,实现了对空间环境的直接探测以及对月球和太阳系大行星的逼近观测和直接取样观测;环绕地球运行的航天器从几百千米到数万千米的距离观测地球,迅速而大量地收集有关地球大气、海洋和陆地的各种各样的电磁辐射信息,直接服务于气象观测、**侦察和资源考察等方面;人造地球卫星作为空间无线电中继站,实现了全球卫星通信和广播,而作为空间基准点,可以进行全球卫星导航和大地测量;利用空间高真空、强辐射和失重等特殊环境,可以在航天器上进行各种重要的科学实验研究。

  

航天器的发展趋势

  随着航天任务的复杂化,对航天器轨道控制的精度、 机动性和自主性提出了越来越高的要求。未来空间站既有轨道保持又有交会对接,要求有很高的自主性。星际航行由于航程远, 无线电波传输时间长,难以在地球上或地球轨道上进行遥控,因此需要由航天器进行自主导航和控制。提高**卫星的自主轨道控制能力尤为重要,一方面可以降低对地面测控站的依赖程度,另一方面能提高保密性和抗干扰性。 因此,自主导航和控制是航天器轨道控制技术的一个发展方向。