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1、 空空间间站站和和1 1个个“和和平平号号”空空间间站站。与与此此同同时时，美美国国发发射射了了“水水星星”、“双双子子星星座座”、“阿阿波波罗罗”3 3种种载载人人飞飞船船和和1 1个个“天天空空实实验验室室”空空间间站站。目目前前，美美国国、俄俄罗罗斯斯、西西欧欧、日日本本等等还还正正在在联联合合组组建建巨巨大大的的永永久久性性载载人人航航天天器器“国国际际空空间间站站”。19991999年年1111月月至至今今，我我国国的的“神舟号神舟号”试验飞船试验飞船也已经两次发射成功。也已经两次发射成功。19811981年年4 4月月，美美国国发发射射成成功功可可重重复复使使用用的的航航天天飞飞机
2、机，继继美美国国航航天天飞飞机机之之后后，前前苏苏联联于于19881988年年1111月月也也发发射了类似美国航天飞机的射了类似美国航天飞机的无人航天飞机无人航天飞机“暴风雪号暴风雪号”。本本章章简简要要介介绍绍载载人人飞飞船船的的基基本本结结构构，以以及及导导航航、制导与控制的基本原理。制导与控制的基本原理。第1页/共59页 载载人人飞飞船船是是一一种种载载人人的的小小型型航航天天器器，它它的的构构造造要要比比人人造造卫卫星星的的构构造造复复杂杂得得多多。载载人人飞飞船船除除了了具具有有类类似似人人造造卫卫星星的的结结构构系系统统、姿姿态态控控制制等等设设备备之之外外，为为了了保保证证航航天
3、天员员在在飞飞行行过过程程中中正正常常的的生生活活和和工工作作，还还有有许多特殊的设施。许多特殊的设施。9.1 载人飞船的结构组成联盟号载人飞船第2页/共59页 载人飞船曾在人类遨游宇宙、突破载人航天方面起到了历史性的里程碑作用。后来前苏联用它为“礼炮号”空间站和“和平号”空间站接送航天员以及运送部分物资。未来载人飞船还将成为空间站和空间基地的轨道救生艇。总之，航天器上载人将从根本上改变它的外形、结构特性设计和制作的方法，这是因为必须保障人在航天飞行条件下生活和工作所需的一切。阿波罗载人飞船第3页/共59页1 1返回地球的特点返回地球的特点 返返回回地地球球是是每每个个载载人人飞飞船船所所必必
4、须须完完成成的的程程序序。在在完完成成轨轨道道飞飞行行任任务务后后，为为完完成成返返回回地地球球的的程程序序，必必须须对对飞飞船船实实施施制制动动使使其其进进入入返返回回轨轨道道。对对于于远远距距离离的的飞飞行行必必须须修修正正返返回回轨轨道道，这这就就要要求求飞飞船船具具有有改改变变轨轨道道的的动动力力装装置置及及一一系系列列其其他他系系统统，例例如如姿姿态态控控制制和和运运动动控控制系统，它的执行机构系统、供电系统等。制系统，它的执行机构系统、供电系统等。载载人人飞飞船船返返回回地地球球时时必必须须有有气气动动加加热热防防护护系系统统和和着着陆陆系系统统。一一般般返返回回和和乘乘员员的的着
5、着陆陆由由专专门门的的舱舱段段来来完完成成再再入入舱舱，也也称称为为返返回回舱舱或或着着陆陆舱舱。它它本本身身应应具具有有达达到到稳稳定定与与控控制制所所要要求求的的气气动动特特性性的的外外形形，并并且且在在工工作作时时应应保保证证运运动动的的稳稳定定性性、着着陆陆足足够够的的精精确确性性以以及及乘员所能承受的过载。乘员所能承受的过载。第4页/共59页 飞飞船船再再人人舱舱的的外外形形很很简简单单，都都是是无无翼翼的的大大钝钝头头体体。例例如如，前前苏苏联联的的“东东方方号号”飞飞船船，它它的的再再入入舱舱是是球球形形；美美国国的的“水水星星号号”飞飞船船，其其再再入入舱舱形形状状为为钟钟形形
6、。这这种种大大钝钝头头的的无无翼翼式式再再入入舱舱外外形形结结构构简简单单，工工程程上上易易于于实实现现。当当飞飞船船再再入入大大气气层层时时，距距地地面面40 40 kmkm左左右右的的高高空空就就急急剧剧减减速速，造造成成的的峰峰值值减减加加速速度度为为8 8 g g左左右右。这这样样的的减减加加速速度度，对对经经选选拔拔和和训训练练的的航航天天员员来来说说是是可可以以承承受受的的。假假如如飞飞船船的的再再入入舱舱不不是是大大钝钝头头，而而像像某某些些返返回回式式卫卫星星以以小小头头向向前前再再入入大大气气层层，则则其其再再入入峰峰值值减减加加速速度度将将达达到到18 18 g g，航航天
7、天员员就就会会死死亡亡。所所以以，无无翼翼式式大大钝钝头的再入舱外形，是早期载人飞船的理想外形。头的再入舱外形，是早期载人飞船的理想外形。第5页/共59页第6页/共59页2 2保证乘员生活及活动条件的特点保证乘员生活及活动条件的特点 乘乘员员的的生生活活条条件件只只能能在在宇宇宙宙空空间间的的密密封封舱舱中中得得以以保保证证，为为此此每每个个载载人人飞飞船船均均有有自自己己的的密密封封舱舱，其其中中的的大大气气条条件件应应能能满满足足呼呼吸吸的的需需要要并并经经常常地地更更新新。最最好好的的大大气气压压力力及及气气体体成成分分是是相相应应于于地地球球海海平平面面处处的的自自然然大大气气压压力力
8、及及气气体体成成分分。在在飞飞船船“联联盟盟号号”、“联联盟盟TMTM”和和空空间间站站“礼礼炮炮号号”中中均均保保持持了了这这个个条条件件，在在“阿阿波波罗罗”飞船中采用了降压的纯氧大气。飞船中采用了降压的纯氧大气。座座舱舱的的体体积积和和尺尺寸寸应应能能使使人人在在其其中中完完成成习习惯惯的的动动作作(例例如如全全身身的的伸伸展展)和和相相应应的的飞飞行行任任务务。第第一一代代飞飞船船“东东方方号号”、“水水星星”、“上上升升号号”和和“双双子子星星座座”由由于于有有减减轻轻质质量量的的严严格格要要求求，所所以以它它们们的的座座舱舱很很狭狭窄窄，而而“联联盟盟号号”及及“阿阿波波罗罗”的的
9、座座舱舱就就宽宽大大得得多多。在在座座舱中应能保持正常的温度条舱中应能保持正常的温度条第7页/共59页件，因此座舱也必须有温控系统。件，因此座舱也必须有温控系统。人人的的生生活活与与饮饮食食、自自然然需需要要的的排排出出、个个人人的的卫卫生生和和睡睡眠眠紧紧密密联联系系着着，这这就就决决定定了了在在飞飞船船上上必必须须有有足足够够的的食食物物、水水、卫卫生生保保障障、不不同同物物品品的的收收集集器器、卫卫生生设设备备，以以及及为为睡睡眠眠用用的的一一切切设设备备。所所有有这这些些设设备备应应考考虑虑到它们是工作于一个封闭的体积中和失重的条件下。到它们是工作于一个封闭的体积中和失重的条件下。与与
10、控控制制飞飞船船有有关关的的乘乘员员活活动动以以及及完完成成手手控控飞飞船船的的动作将影响飞船的结构和飞船上的系统。动作将影响飞船的结构和飞船上的系统。在在座座舱舱结结构构设设计计中中，首首先先要要考考虑虑到到航航天天员员进进出出方方便，还要有逃逸口。便，还要有逃逸口。第8页/共59页 控控制制载载人人飞飞船船飞飞行行要要有有乘乘员员的的工工作作位位置置。该该位位置置应应合合理理地地安安排排并并能能观观察察到到飞飞船船外外部部的的状状况况，获获得得飞飞船船各各系系统统工工作作信信息息，进进行行与与地地球球及及其其他他载载人人飞飞船船的的联联系系。因因此此，飞飞船船的的座座舱舱应应设设有有视视野
11、野开开阔阔的的舷舷窗窗，航航天天员员通通过过舷舷窗窗可可观观察察发发射射前前的的准准备备活活动动，轨轨道道飞飞行行中中交交会会对对接接情情况况，返返回回点点火火时时的的姿姿态态控控制制与与机机动动和和再再入入着着陆陆的的地地面面情情况况等等等等。“水水星星9 9号号”的的航航天天员员，在在飞飞船船自自动动控控制制系系统统失失灵灵的的紧紧急急情情况况下下，就就是是通通过过舷舷窗窗观观察察地地平平线线，手手控控飞飞船船姿姿态态，点点燃燃返返回回发发动动机机，再再入入大大气气层层获获得了成功。得了成功。在在飞飞行行过过程程中中，航航天天员员将将操操作作座座舱舱内内的的大大量量船船载载设设备备单单元元
12、进进行行工工作作，如如生生命命保保障障系系统统的的一一些些设设备备、乘乘员装员装第9页/共59页备备、手手动动机机构构和和科科学学仪仪表表等等。座座舱舱内内柔柔和和的的光光线线和和明明亮亮的的照照度度，使使航航天天员员可可以以清清楚楚地地分分辨辨仪仪表表的的读读数数。座座舱舱内内除除显显示示仪仪表表外外，还还有有航航天天员员操操作作的的计计算算机机键键盘盘和和一一些些重重要要的的开开关关与与手手柄柄。其其中中关关键键的的按按钮钮开开关关如如“返返回回火火箭箭点点火火”、“舱舱段段分分离离”、“弹弹射射”、“开开伞伞”等等开开关关必必须须用用罩罩子子盖盖起起来来，防防止止失失误误动动作作造造成成
13、事事故故。飞飞船船操操作作手手柄柄和和飞飞机机上上的的方方向向舵舵脚脚蹬蹬不不同。同。对对于于进进行行航航天天员员交交换换的的飞飞行行，飞飞船船必必须须具具有有刚刚性性的的对对接接机机构构以以及及密密封封的的过过渡渡通通道道，对对接接机机构构上上应应有有密密封封盖盖和和监监视视对对接接密密封封系系统统。如如果果考考虑虑人人出出舱舱到到开敞的开敞的第10页/共59页宇宇宙宙空空间间的的问问题题，则则在在飞飞船船上上应应备备有有宇宇宙宙服服及及其其相相应应的服务系统，而飞船本身应有闸门舱。的服务系统，而飞船本身应有闸门舱。总总之之，随随着着飞飞行行阶阶段段的的改改变变，各各种种不不同同的的因因素素
14、将将作作用用于于航航天天员员。设设计计载载人人飞飞船船的的一一个个主主要要任任务务就就是是防防止止或或降降低低这这些些因因素素对对乘乘员员的的作作用用，也也就就是是保保证证宇宇宙宙飞飞行的承受条件。行的承受条件。3 3飞行安全的特点飞行安全的特点 飞飞行行安安全全在在保保证证其其高高可可靠靠性性和和制制造造载载人人飞飞船船时时具具有有重重要要的的作作用用。任任何何一一种种航航天天器器在在其其研研制制的的开开始始就就应应给给出出顺顺利利完完成成任任务务的的概概率率或或是是完完成成飞飞行行计计划划的的可可靠靠性性，尔后尔后第11页/共59页要要做做出出证证实实；而而对对于于载载人人飞飞船船还还应应
15、补补加加上上保保证证乘乘员员安安全全的的概概率率或或是是飞飞行行安安全全度度。这这两两个个准准则则决决定定了了相相应应的的概概率率，而而一一般般地地，第第一一个个给给出出在在95959898的的水水平平上上，第第二二个个在在9999以上。以上。所所要要求求的的安安全全度度将将影影响响飞飞船船的的外外形形、各各个个系系统统的的性性能能、火火箭箭飞飞船船整整个个系系统统及及飞飞行行图图。除除保保证证可可靠靠性性以以外外，还还要要组组织织系系统统的的职职能能备备份份，如如自自动动工工作作状状况况辅辅以以手手动动操操作作，引引入入专门故障时的乘员救生设备，装配备份仪表和机件等。专门故障时的乘员救生设备
16、，装配备份仪表和机件等。实实际际上上，飞飞行行安安全全的的特特点点融融于于飞飞船船设设计计的的各各个个方方面面，这是载人航天器提出的尤为突出的要求和特点。这是载人航天器提出的尤为突出的要求和特点。第12页/共59页9.1.2 9.1.2 几种载人飞船的主要构造几种载人飞船的主要构造 目目前前，世世界界上上已已有有的的载载人人飞飞船船均均是是由由前前苏苏联联和和美美国国研研制制、发发射射的的。下下面面通通过过这这些些具具体体的的例例子子来来进进一步说明载人飞船的构造特征。一步说明载人飞船的构造特征。双子星座载人飞船双子星座载人飞船第13页/共59页1 1前苏联的载人飞船前苏联的载人飞船 至至今今
17、，前前苏苏联联发发展展和和研研制制的的载载人人飞飞船船有有“东东方方号号”、“上上升升号号”、“联联盟盟号号”3 3种种。为为配配合合载载人人空空间间飞飞行行，前前苏苏联联还还研研制制了了一一次次性性的的自自动动运运输输飞飞船船“进进步号步号”。第14页/共59页 (1)(1)“东东方方号号”载载人人飞飞船船：该该系系列列的的载载人人飞飞行行系系统统是是前前苏苏联联的的早早期期载载人人飞飞船船，在在1961196119631963年年间间共共发发射射6 6次次。19611961年年4 4月月，发发射射了了“东东方方l l号号”载载人人飞飞船船，成成功功地地把把航航天天员员加加加加林林送送入入了
18、了近近地地飞飞行行轨轨道道，飞飞行行108 108 minmin后，安全着陆，完成了人类的第一次载人空间飞行。后，安全着陆，完成了人类的第一次载人空间飞行。第15页/共59页 “东东方方号号”飞飞船船是是由由再再人人舱舱及及设设备备舱舱两两部部分分组组成成(见见图图9.19.1)。这这两两部部分分由由爆爆炸炸锁锁锁锁住住的的四四根根可可系系紧紧的的钢带连结。整个飞船的质量约为钢带连结。整个飞船的质量约为4.73 t4.73 t。再再入入舱舱亦亦为为航航天天员员座座舱舱，是是一一个个直直径径为为2.3 2.3 m m的的球球体体，上上面面覆覆盖盖有有防防热热层层，它它的的质质量量是是2.4 2.
19、4 t t。设设备备舱舱是是一一个个周周围围装装有有许许多多球球形形容容器器的的双双锥锥结结构构。在在设设备备舱舱内内装装有有轨轨道道飞飞行行时时所所需需要要的的系系统统和和设设备备，如如电电源源和和压压缩缩气气瓶瓶等等。其其中中还还装装有有制制动动火火箭箭发发动动机机，用用来来使使飞飞船船制制动动而而脱脱离离轨轨道道。发发动动机机工工作作完完毕毕后后，进进行行舱舱段段分分离离，设设备备舱舱及及其其用用过过的的制制动动火火箭箭发发动动机机在在稠稠密密大大气气中中烧毁，而再入舱安全返回地面。烧毁，而再入舱安全返回地面。第16页/共59页 在在发发射射过过程程中中，整整个个飞飞船船安安装装在在运运
20、载载火火箭箭头头部部整整流流罩罩内内，以以防防止止发发射射环环境境对对飞飞船船的的影影响响。当当飞飞船船座座舱舱返返回回地地球球到到达达低低空空的的时时候候，航航天天员员乘乘坐坐弹弹射射座座椅椅离离开开飞船座舱，乘降落伞单独着陆。飞船座舱，乘降落伞单独着陆。第17页/共59页 (2)(2)“上上升升号号”载载人人飞飞船船：“上上升升号号”飞飞船船基基本本上上是是“东东方方号号”飞飞船船的的改改型型，其其构构造造特特征征与与“东东方方号号”飞飞船船类类似似。在在座座舱舱外外增增设设了了气气密密过过渡渡舱舱或或称称闸闸门门舱舱，以以便便进进行行舱舱外外活活动动。由由于于航航天天员员增增至至2 2到
21、到3 3人人，从从容容积积上上考考虑虑取取消消了了座座舱舱内内的的弹弹射射座座椅椅，而而用用普普通通座座椅椅代代替替。此此外外，还还增增加加了了着着陆火箭，用于着陆时进一步降低飞船速度。陆火箭，用于着陆时进一步降低飞船速度。(3)(3)“联联盟盟号号”载载人人飞飞船船：在在“上上升升号号”飞飞船船结结束束飞飞行行后后，前前苏苏联联的的载载人人空空间间飞飞行行停停顿顿了了两两年年。至至19671967年年4 4月月，前苏联开始发射前苏联开始发射“联盟号联盟号”飞船，至今已发射了数十艘。飞船，至今已发射了数十艘。“联联盟盟号号”飞飞船船是是苏苏联联的的第第三三代代载载人人飞飞船船，它它已已改改型型
22、两两次次，分分别别称称“联联盟盟T T”和和“联联盟盟TMTM”。“联联盟盟号号”系系列列飞船高飞船高7.48 m7.48 m，最大直径约，最大直径约2.72 m2.72 m，总质量为，总质量为6.8 t6.8 t，第18页/共59页 由由球球形形轨轨道道舱舱、钟钟形形再再人人舱舱和和圆圆柱柱形形服服务务舱舱等等三三个舱段组成，如图个舱段组成，如图9.29.2所示。所示。图9.2 “联盟号”载人飞船第19页/共59页2 2美国的载人飞船美国的载人飞船 美美国国的的载载人人飞飞船船有有三三种种，分分别别是是“水水星星”、“双双子星座子星座”和和“阿波罗阿波罗”飞船飞船。(1)(1)“水水星星”载
23、载人人飞飞船船：“水水星星”飞飞船船是是美美国国的的第一代载人飞船，从第一代载人飞船，从1961196119631963年间进行了年间进行了6 6次飞行。次飞行。飞飞船船的的球球面面形形底底部部外外壳壳有有烧烧蚀蚀防防热热层层，底底部部上上面面的的锥锥形形部部分分是是座座舱舱。座座舱舱外外表表面面有有辐辐射射防防热热结结构构，内内部部有有一一个个载载人人密密封封压压力力舱舱。座座舱舱内内安安装装有有环环境境控控制制系系统统，电电源源系系统统及及其其他他有有关关系系统统和和设设备备，此此外外还还有有必必要要的的仪仪表表显显示示及及操操纵纵装装置置。座座舱舱上上面面的的圆圆柱柱部部分分是是回回收收
24、舱舱，舱舱内内主主要要包包含含有有降降落落伞伞系系统统，外外表表面面为为金金属属铍铍。顶部截锥是天顶部截锥是天第20页/共59页线线舱舱，除除天天线线外外还还装装有有稳稳定定伞伞及及红红外外地地平平仪仪。有有两两个个供供航航天天员员出出入入的的舱舱口口，一一个个在在飞飞船船的的侧侧面面作作进进出出用用，另另一一个个通通过过飞飞船船座座舱舱上上面面的的圆圆柱柱体体。座座舱舱上上还还有有一一个个大舷窗供航天员观察用。大舷窗供航天员观察用。在在球球面面烧烧蚀蚀层层中中心心用用三三条条金金属属带带固固定定一一个个制制动动包包，其其中中装装有有3 3个个制制动动火火箭箭与与3 3个个分分离离火火箭箭。在
25、在发发射射时时，救救生生塔塔系系统统通通过过夹夹紧紧环环固固定定在在飞飞船船回回收收舱舱顶顶部部，在在正正常常飞行中飞船飞出大气层时就被抛掉。飞行中飞船飞出大气层时就被抛掉。(2(2)“双双子子星星座座”载载人人飞飞船船：“双双子子星星座座”载载人人飞飞船船是是简简单单的的“水水星星”飞飞船船和和复复杂杂的的“阿阿波波罗罗”飞飞船船之之间间的的桥桥梁梁。在在19651965年年和和19661966年年中中进进行行了了1010次次载载人人飞飞行行，作作了了多多次次轨轨道道交交会会和和对对接接试试验验，为为“阿阿波波罗罗”飞船载人登月飞行作了准飞船载人登月飞行作了准第21页/共59页备备。飞飞船船
26、由由座座舱舱和和设设备备舱舱组组成成，其其形形状状像像“水水星星”飞飞船船，最最大大直直径径3.05 3.05 m m，高高5.74 5.74 m m，总重量，总重量3.33.33.8 t3.8 t，可乘坐两名航天员，如图，可乘坐两名航天员，如图9.39.3所示。所示。图图9.3 9.3 美国美国“双子星座双子星座”载人飞船载人飞船第22页/共59页 飞飞船船可可以以分分为为两两个个大大部部分分，即即再再入入段段与与过过渡渡段段，前前者者是是需需要要再再入入回回收收的的部部分分，后后者者只只在在轨轨道道飞飞行行时时利利用，再入前将它抛掉。用，再入前将它抛掉。是一个整体，成为飞船的一个空间辐射器
27、，能把座舱是一个整体，成为飞船的一个空间辐射器，能把座舱内的热量排散到宇宙空间中去，保证座舱内有适宜的内的热量排散到宇宙空间中去，保证座舱内有适宜的温度温度 (3 (3)“阿波罗阿波罗”载人飞船载人飞船：“阿波罗阿波罗”载人飞船载人飞船是美国的第三代载人飞船，从是美国的第三代载人飞船，从19681968年到年到19721972年期间年期间进行了进行了1111次载人飞行，其中次载人飞行，其中6 6次登上月球。首次次登上月球。首次登月登月是在是在19691969年年7 7月月2020日实现的。当时，日实现的。当时，“阿波罗阿波罗-11-11”把美国航天员把美国航天员阿姆斯特朗阿姆斯特朗和和奥尔德林
28、奥尔德林送上月球。送上月球。除除救救生生塔塔系系统统和和飞飞船船与与运运载载火火箭箭过过渡渡舱舱外外，“阿阿波波罗罗”飞飞船船主主要要由由三三部部分分组组成成，即即指指挥挥舱舱、服服务务舱舱及及登月舱登月舱(见见图图9.49.4)，总质量约为，总质量约为45t45t。第23页/共59页 图图9.4 9.4“阿波罗阿波罗”飞船飞船 1-1-逃逸塔；逃逸塔；2-2-指挥舱；指挥舱；3-3-服务舱服务舱;4-;4-登月舱登月舱第24页/共59页 飞飞船船的的制制导导与与控控制制工工作作是是由由两两个个相相互互联联系系的的分分系系统统来来完完成成的的，这这就就是是导导航航与与制制导导系系统统和和稳稳定
29、定与与控控制制系系统统。这这两两个个分分系系统统感感测测出出姿姿态态和和轨轨道道变变化化诸诸参参数数，处处理理这这些些信信息息，并把它变为飞船推进装置的指令。并把它变为飞船推进装置的指令。导导航航与与制制导导系系统统的的功功能能是是使使飞飞船船遵遵循循正正确确的的航航线线飞飞行行，它有控制飞船轨道的能力，也要求有引导救生的能力。它有控制飞船轨道的能力，也要求有引导救生的能力。稳稳定定和和控控制制系系统统使使航航天天员员能能在在飞飞行行的的各各个个阶阶段段或或者者手手动动地地或或者者自自动动地地操操纵纵飞飞船船，它它的的功功能能一一般般是是进进行行飞飞船船姿姿态态的的控控制制以以及及主主推推进进
30、装装置置点点火火方方向向或或推推力力矢矢量量的的控控制制。该该分分系系统统的的所所有有控控制制功功能能都都是是导导航航与与制制导导系系统统的的后后援援，它它也也可可用作惯性基准的后备系统。用作惯性基准的后备系统。9.2 载人飞船的制导与控制第25页/共59页 9.2.1 9.2.1 飞船的导航与制导系统飞船的导航与制导系统 飞船的导航与制导工作一般可有三条不同的渠道，飞船的导航与制导工作一般可有三条不同的渠道，如图如图9.69.6所示。所示。第26页/共59页 第第一一，由由地地面面雷雷达达监监视视飞飞船船，并并将将所所测测得得的的数数据据传传给给地地面面控控制制中中心心的的实实时时计计算算机
31、机处处理理，计计算算机机将将飞飞船船目目前前的的位位置置与与速速度度由通信系统通知飞船的导航与制导计算机；由通信系统通知飞船的导航与制导计算机；第第二二，飞飞船船本本身身的的惯惯性性测测量量仪仪器器测测出出的的飞飞船船方方向向和和速速度度的的变化，提供给飞船计算机；变化，提供给飞船计算机；第第三三，航航天天员员在在飞飞船船上上进进行行天天体体观观测测所所得得的的位位置置与与速速度度数数据也通过键盘输人飞船计算机。据也通过键盘输人飞船计算机。飞飞船船计计算算机机在在收收到到这这三三条条渠渠道道的的信信息息后后，便便与与记记忆忆系系统统储储存存的的预预定定程程序序资资料料相相比比较较，从从而而向向
32、飞飞船船发发动动机机发发出出校校正正航航线线的的指令和数据。指令和数据。飞飞船船导导航航与与制制导导系系统统一一般般包包括括3 3个个子子系系统统，即即惯惯性性系系统统，光光学学系系统统及及计计算算机机系系统统。3 3个个子子系系统统的的每每一一个个在在应应急急期期间间都都应应能独立操作，这样，其中一个发生故障将不损坏整个系统。能独立操作，这样，其中一个发生故障将不损坏整个系统。第27页/共59页 (1)(1)惯惯性性测测量量系系统统：对对于于不不同同的的飞飞船船其其惯惯性性测测量量系系统统是是不不同同的的，但但其其基基本本惯惯性性导导航航的的原原理理是是一一致致的的。即即把把加加速速度度计计
33、安安装装在在由由陀陀螺螺稳稳定定的的惯惯性性平平台台上上，无无论论飞飞船船的的运运动动方方向向和和姿姿态态如如何何改改变变，平平台台始始终终稳稳定定保保持持在在惯惯性性空空间间中中的的取取向向，从从而而保保证证加加速速度度计计能能够够测测量量出出飞飞船船相相对对于于惯惯性性空空间间的的三三轴轴加加速速度度，进进而而积积分分获获得得飞飞船船的的飞飞行行速速度度和和位位置置。本本书书第第八八章章第第8.28.2节节对对此此已已详详细细介绍，这里不再重复。介绍，这里不再重复。(2)(2)飞飞船船的的光光学学测测量量系系统统：该该系系统统的的具具体体形形式式也也是是多多种种多多样样的的，其其中中以以“
34、阿阿波波罗罗”飞飞船船的的光光学学测测量量系系统统最最有有代代表表性性。这这个个系系统统主主要要由由一一个个空空间间六六分分仪仪与与一一个个扫扫描描望望远远镜镜组组成成，并并配配以以自自动动星星跟跟踪踪器器和和光光度度计计等等。这这是是一一个个由由航航天天员员参参与与的的光光学学测测量量系系统统或或天天文文导导航航系系统统。图图9.79.7所所示示的的空空间间六六分分仪仪是是一一个个具具有有两两条视线的窄视域条视线的窄视域2828倍放大率的仪器。倍放大率的仪器。第28页/共59页第29页/共59页 (3)(3)载载人人飞飞船船的的计计算算机机系系统统：它它是是整整个个导导航航与与制制导导系系统
35、统的的心心脏脏。在在空空间间飞飞行行中中，为为了了使使由由敏敏感感器器获获得得的的数数据据产产生生导导航航或或制制导导信信号号，要要求求在在作作为为指指令令进进行行显显示示与与发发送送之之前前对对这这些些数数据据进进行行处处理理而而后后在在计计算算中中应应用用，所所有有这这一一切切都都是是在在计计算算机机中中完完成成的的。对对于于空空间间导导航航和和制制导导而而言言，计计算算量量和和复复杂杂性性都都很很大大，需需要要具具有有巨巨大大存存储储能能力力的的相相当当规规模模的的数数字字计计算算机机才才能能满满足足要要求求。因因此此，近近年年来来在在设设计计与与制制造造航航天天用用的的小小型型计计算算
36、机机方方面面所所取取得得的进展是令人鼓舞的。的进展是令人鼓舞的。第30页/共59页 载人飞行系统与其他飞行系统使用的计算机没有本质的区别，同样是由载人飞行系统与其他飞行系统使用的计算机没有本质的区别，同样是由运算器、存储器、控制器、输入及输出装置等五大部分组成。但是人的存在运算器、存储器、控制器、输入及输出装置等五大部分组成。但是人的存在使得置换有故障的关键部件成为可能，因而提高了整个系统的可靠性。以使得置换有故障的关键部件成为可能，因而提高了整个系统的可靠性。以“阿波罗阿波罗”飞船飞船为例，它要求高标准的可靠性，因此采用完全重复性设计的计为例，它要求高标准的可靠性，因此采用完全重复性设计的计
37、算机，并具有指示灯、指令自检能力以及输出合理性等提供检查故障与开关算机，并具有指示灯、指令自检能力以及输出合理性等提供检查故障与开关计算机的手段，加上计算机由许多可置换的组合件组成，这进一步给飞行中计算机的手段，加上计算机由许多可置换的组合件组成，这进一步给飞行中进行维修带来了方便。进行维修带来了方便。第31页/共59页 9.2.2 9.2.2 飞船的导航与制导方法飞船的导航与制导方法 在在载载人人飞飞船船的的空空间间飞飞行行计计划划中中，最最终终的的飞飞行行目目的的是是通通过过一一系系列列中中间间飞飞行行逐逐步步达达到到的的。导导航航与与制制导导系系统统的的两两个个基基本本任任务务是是保保持
38、持对对飞飞船船位位置置与与速速度度的的精精确确了了解解，以以及及对对过过程程中中需需要要的的改改变变提提供供控控制制指指令令。本本节节并并不不对对解解决决导导航航与与制制导导问问题题的的现现有有方方法法作作全全面面的的评评述述，而而只只是介绍适用于飞船的一两种简明的方法。是介绍适用于飞船的一两种简明的方法。1 1导航的计算方法导航的计算方法 确确定定飞飞船船位位置置与与速速度度的的工工作作通通常常指指的的是是导导航航，很很自自然然地地分分为为两两个个部部分分惯惯性性飞飞行行与与加加速速飞飞行行。飞飞船船在在惯惯性性飞飞行行延延伸伸期期间间的的方方位位预预测测同同天天文文学学家家预预测测月月球球
39、与与行行星星位位置置的的问问题题相相类类似似。它它是是通通过过适适当当利利用用方方便便的的物理量来物理量来第32页/共59页测测量量来来实实现现的的。例例如如：已已建建立立的的参参考考点点的的距距离离、速速度度、仰仰角角与与方方位位角角；已已知知天天体体视视线线间间的的角角；行行星星表表观观直直径径。当当敏敏感感器器接接近近数数据据源源时时，导导航航测测量量会会更更精精确，因此飞船上与地面上的仪器可起互相补充的作用。确，因此飞船上与地面上的仪器可起互相补充的作用。长长距距离离预预测测能能力力的的提提高高受受几几个个因因素素影影响响。首首先先是是解解运运动动方方程程的的数数学学方方法法，除除非非
40、采采用用精精确确的的计计算算技技术术，否否则则数数值值误误差差就就会会传传播播，并并使使解解很很快快恶恶化化；其其次次，位位置置与与速速度度的的预预测测精精度度取取决决于于我我们们对对太太阳阳系系物物理理特特性性的的知知识识；最最后后，也也是是最最重重要要的的一一点点，就就是是初初始始条条件件的的精精度。度。为为了了确确保保精精确确的的初初始始条条件件，就就必必须须利利用用光光学学或或雷雷达达测测量量数数据据对对飞飞船船位位置置与与速速度度的的估估值值进进行行周周期期性性地地修修正。正。第33页/共59页 2 2制导的方法制导的方法 提提供供控控制制指指令令的的工工作作通通常常称称为为制制导导
41、，可可自自然然地地分分为为两两种种类类型型较较大大的的与与较较小小的的机机动动。发发射射到到中中间间轨轨道道，转转移移到到月月球球或或行行星星轨轨道道，轨轨道道进进入入与与着着陆陆等等都都属属于于较较大大机机动动的的例例子子。它它们们明明显显地地不不同同于于以以中中间间过过程程速速度度修修正正为为代代表表的的较较小小轨轨道道变变化化。在在每每一一种种情情况况下下，制制导导问问题题总总是是一一个个受受到到诸诸如如燃燃料料消消耗耗、飞飞船船机机动动性性及及时时间等条件限制的边值问题。间等条件限制的边值问题。在在较较大大推推力力情情况况下下，制制导导问问题题的的解解要要求求在在飞飞行行中中临临界界时
42、时间间内内执执行行相相对对复复杂杂的的计计算算，圆圆锥锥曲曲线线轨轨道道可可以以用用来来方方便便地地解解决决许许多多制制导导问问题题。许许多多较较大大的的轨轨道道转转移移机机动动在在概概念念上上可可以以通通过过一一个个单单一一的的推推进进速速度度变变化化来来完完成成。对对于于这这些些情情况况，根根据据圆圆锥锥曲曲线线轨轨道道可可确确定定一一个个瞬瞬时的应增速时的应增速第34页/共59页度度矢矢量量，并并且且控控制制飞飞船船使使这这个个矢矢量量为为零零。参参照照图图9.99.9，对对应应于于目目前前飞飞船船位位置置 的的矢矢量量 定定义义为为满满足足一一系系列列预预定定飞飞行行目目的的的的期期望
43、望瞬瞬时时速速度度，为为目目前前飞飞船船的的速速度度，那那么么，与与 之之间间的的速速度度差差 就就是是瞬瞬时时应应增速度。增速度。第35页/共59页 两种简单的制导法则将保证两种简单的制导法则将保证 的所有的所有3 3个分量同时趋于零。个分量同时趋于零。(1)(1)可以将飞船定向，使推力加速度矢量可以将飞船定向，使推力加速度矢量 与与 的方向对准；的方向对准；(2)(2)因因为为能能够够导导出出一一个个对对 的的时时间间变变化化率率(即即 )的的方方便便表表达达式式，所所以以可可以以定定向向 使使得得 平平行行于于 并并且且方方向向相相反反。假假设设 不不是是足足够够大大，要要对对准准 与与
44、 似似乎乎是是不不可可能能的的，然然而而使使用用燃燃烧烧时时间相对短的典型的化学火箭是不会遇到困难的。间相对短的典型的化学火箭是不会遇到困难的。这这两两种种方方法法的的组组合合导导致致一一种种高高效效率率的的控控制制法法则则。从从经经验验上上来来选选择择标标量量混混合合参参数数 使使得得机机动动时时极极大大地地节节省省燃燃料料，对对于于特特殊殊的的飞飞行行阶阶段段一一个个常常数数值值 通通常常是是足足够够的的；然然而而，如如果果需需要要的的话话，可以允许它作为某些系统变可以允许它作为某些系统变第36页/共59页变量的函数而变化。变量的函数而变化。一一个个功功能能图图表表示示在在图图9.109.
45、10中中，该该图图说说明明了了对对于于控控制制目目的的所所要要求求的的误误差差信信号号的的计计算算方方法法。位位置置、速速度度及及重重力力矢矢量量的的计计算算如如前前面面导导航航部部分分所所述述。飞飞行行目目的的所所要要求求的的推推进进速速度度作作为为位位置置矢矢量量的的函函数数来来确确定定，并并用用来来计计算算应应增增速速度度 。利利用用前前一一个个采采样样时时间间储储存存的的值值，由由期期望望速速度度矢矢量量的的数数值值微微分分法法和和加加速速度度计计实实际际输输出出可可求求出出加加速速度度误误差差信信号号。当当适适当当地地改改变变比比例例时时，系系统统输输出出是是一一个个矢矢量量速速率率
46、指指令令，其其大大小小正正比比实实际际加加速速度度矢矢量量与与指指令令推推力力加加速速度度矢矢量量之之间间的的差差，而而其其方方向向确确定定了了使使这这个个误误差差为为零零所所要要求求的的飞飞船船旋旋转转方方向向。当当应应增增速速度度 很很小小时时，接接近近最最后后机机动动并并终终止止矢矢量量积积控控制制，飞船保持一个不变的姿态而根据飞船保持一个不变的姿态而根据 矢量大小关闭发动机。矢量大小关闭发动机。第37页/共59页9.2.3 9.2.3 飞船的稳定与控制飞船的稳定与控制 稳稳定定与与控控制制系系统统最最基基本本的的要要求求是是在在一一定定的的飞飞行行时时间间内内提提供供飞飞船船绕绕3 3
47、个个主主轴轴的的姿姿态态控控制制。然然而而，由由于于载载人人飞飞船船计计划划的的飞飞行行任任务务非非常常特特殊殊，要要建建立立一一个个适适用用于于所所有有情情况况的的一一般般要要求求与与性性能能准准则则是是不不可可能能的的。例例如如，对对“水水星星”飞飞船船最最大大的的姿姿态态机机动动速速率率高高达达1212s s，以以便便提提供供高高机机动动性性及及应应急急情情况况下下的的快快速速反反应应；“阿阿波波罗罗”飞飞船船最最大大的的姿姿态态机机动动速速率率低低于于“水水星星”飞飞船船的的1 12020，并并且且主主要要是是为为了了满满足足导导航航对对准准之之间间的的机机动动要要求求。“阿阿波波罗罗
48、”飞飞船船具具有有很很大大的的惯惯性性，如如采采取取“水水星星”飞飞船船的的速速率率，则则反反作作用用控控制制系系统统的的燃燃料料消消耗耗将将是是巨巨大大的的。所所以以，必必须须详详细细研研究究每每次次飞飞行行任任务务与与飞飞船船设设计计的的特特殊殊要要求求，然然后后提提供供相相应应的稳定与控制的措施。的稳定与控制的措施。第38页/共59页 1 1稳定与控制系统稳定与控制系统 已已用用于于载载人人飞飞船船姿姿态态稳稳定定与与控控制制的的系系统统主主要要有有以以下几种。下几种。(1)(1)手手动动一一比比例例系系统统：手手动动一一比比例例系系统统由由一一个个利利用用机机械械连连动动装装置置与与节
49、节流流阀阀相相连连接接的的三三轴轴手手动动控控制制器器组组成成。通通过过这这些些阀阀供供给给燃燃料料以以产产生生推推力力，因因而而航航天天器器的的角角加加速速度度本本质质上上是是与与操操纵纵手手柄柄偏偏转转角角成成比比例例的的，如如图图9.119.11所所示示。这这个个系系统统已已经经用用于于轨轨道道飞飞行行任任务务的的所所有有阶阶段段，并并且且仅仅依依靠靠单单纯纯目目视视(无无速速率率与与姿姿态态信信息息)为为成成功功再入已经提供了足够的控制精度。再入已经提供了足够的控制精度。第39页/共59页第40页/共59页 手手动动-比比例例系系统统的的明明显显优优点点是是完完全全与与电电源源无无关关
50、，而而且且航航天天员员操操纵纵比比例例的的控控制制力力矩矩具具有有抵抵消消连连续续的的干干扰扰力力矩矩的的能能力力。实实际际上上这这种种系系统统有有若若干干缺缺点点，复复杂杂的的连连动动装装置置大大大大地地增增加加了了重重量量，并并且且引引起起在在提提供供相相应应的的操操纵纵手手柄柄“感感觉觉特特性性方方面面的的困困难难；同同时时，由由于于对对飞飞船船上上其其他他的的系系统统，例例如如主主发发动动机机与与制制动动火火箭箭点点火火，电电源源是是必必不不可可少少的的，因因而而提提供供完完全全的的机机械械系系统统并并未未得得到到实实际际的的好好处处；加加上上各各种种阀阀对对燃燃料料中中的的杂杂质质较