航天飞机的飞行过程与控制及回收.docx
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航天飞机的飞行过程与控制及回收
航天飞机的飞行过程与控制及回收
一、航天飞机飞行过程与控制
1)上升阶段
2)入轨阶段
3)轨道运行阶段
4)离轨阶段
5)再入与着陆阶段
二航天飞机的回收
1)回收阶段
三、参考文献
四、心得体会
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学号:
***********
班级:
物教一班
制导老师:
沈宏军
航天飞机每次飞行所执行的任务是各不相同的,所携带的有效载荷也是多种多样的。
但是,无论执行什么任务,携带哪些有效载荷,航天飞机的基本飞行过程都是相同的,可分为5个主要阶段,即上升段、入轨段、轨道段、离轨段和再入着陆段。
相应的具体过程有发射前的准备和点火起飞、固体火箭助推器的分离和回收、外储箱的分离和坠毁、航天飞机进入轨道、轨道运行和作业、航天飞机离轨和再入返回以及着陆等飞行的全过程,参见图10.5。
下面简述航天飞机系统5个基本飞行阶段的过程和控制。
一.航天飞机的飞行过程与控制
1.上升阶段
航天飞机的发射程序与一次使用的消耗性运载火箭十分相似。
航天飞机起飞前24h,全部系统将被垂直地装到发射台上,开始发射前的最后准备工作。
这些工作包括给外储箱加注推进剂,自动检测航天飞机及其分系统和有效载荷的工作状态。
检测的目的是确定全部系统和所有部件是否正常,预测发射和飞行可能出现的故障并加以排除。
整个检测过程需要考虑的因素非常之多也十分复杂。
航天飞机之所以采用与普通运载火箭相同的垂直发射方法,是为了尽快通过大气层,以减少航天飞机的气动加热时间。
当发射前的最后准备工作结束时,计时系统就开始倒计时,一秒一秒地往下减,计时系统到达零点,即到发射时刻。
零秒时点燃三台主发动机,3~4s后两台固体火箭助推器开始点火。
先点燃主发动机的目的一方面是为了使推力达到预定水平,另一方面是为了稳定航天飞机姿态。
由于三台主发动机的起飞总推力为5100kN,真空总推力为6300kN,小于整个航天飞机系统的总起飞质量2000t,所以要借助于两台固体火箭助推器提供辅助推力,航天飞机才能离开发射台升空。
由于每台固体火箭助推器的起飞推力为13150kN,因此航天飞机整个推进系统的起飞推力可达31400kN,产生约O.5g的初始加速度。
在航天飞机起飞阶段,如遇到应急情况,要使航天飞机紧急着陆时,两台固体火箭助推器和外储箱可立即予以炸离,航天飞机作必要的机动操纵,可像飞机一样滑翔返回并在发射场的跑道上降落。
在125s左右,两台助推器燃料耗尽熄火。
此时航天飞机轨道高度达50km以上,速度约1500m/s。
利用爆炸螺栓和前、后各4个固体推进剂的分离火箭,使两台巨型固体火箭助推器与航天飞机和外储箱分离,每台分离发动机的推力为97kN。
分离后,助推器仍具有约1500m/s的速度,按惯性继续升高。
为避免助推器与航天飞机和外储箱发生碰撞,分离发动机都安装在助推器面向外储箱的一侧,以使助推器在分离发动机的反推力作用下距正在继续爬升的航天飞机越来越远。
当助推器分离约1min后,惯性飞行到67km高空时,助推器在空气阻力作用下开始自由回落。
由于两台助推器头部装有电子设备和捞救装置,在其与外储箱分离6min后,便以30m/s的速度浅落于离发射场30km以外的海面,由舰只回收,维修后可供下次再用。
助推器的整个回收过程如图10.6所示。
固体火箭助推器分离后,三台主发动机推动着航天飞机继续上升。
在点火起飞约8min之后,航天飞机达到约110km的高空,速度已达7.8km/s,即将进入地球轨道。
这时外储箱推进剂基本耗尽,停止输送推进剂,主发动机关机。
经过18s后,外储箱与轨道器分离。
轨道器与外储箱分离后开始滑行,此时机上自动驾驶仪发出指令,使朝下喷管点火,产生1.2m/s垂直速度增量,轨道器与外储箱之间距离加大,然后外储箱沿一条相隔较远的轨道以亚轨道速度沿弹道轨道陨落到大气层,并在大气层中焚毁,剩下的碎片坠落后在远离发射场约150km的海面上。
总之,航天飞机在上升段开始时是三台主发动机和两台助推器一起工作的,后期只有三台主发动机工作,或者在三台主发动机中任意两台工作。
航天飞机控制系统可以利用每台发动机和助推器尾喷管所具有的两轴摆动能力组合成滚动、俯仰、偏航三轴姿态控制。
上升段滚动姿态控制如图10.7所示,上升段俯仰和偏航姿态控制如图10.8所示。
从这两个图中可以看出,航天飞机控制系统在上升段的执行机构配置具有冗余度。
2.入轨阶段
在主发动机关机后,航天飞机已基本达到了入轨速度,少量不足需要依靠轨道机动发动机提供推力完成最后的入轨飞行。
主发动机关机后两分钟启动两台轨道机动发动机,人工控制提高轨道远地点和近地点高度。
根据任务对轨道的要求,约几分钟后第二次人工控制提高轨道远地点和近地点的高度。
经过上述轨道机动后,轨道器入轨。
航天飞机入轨后立即开始检测各分系统的工作状态,若检测中出现危及飞行计划的故障和不测事件,即可采取措施予以排除;如须返回,则可开动轨道机动发动机系统和反作用控制系统脱离地球轨道,按再入返回程序进入返回轨道。
如检测结果一切正常,航天飞机就开始预定的工作。
首先利用轨道机动系统的两台小型火箭发动机作末速度修正,按照飞行任务和发射时间要求进行轨道变换,把轨道修正成精确的圆轨道,并利用反作用控制系统将航天飞机的姿态调整到预定任务所需的位置和方向。
入轨阶段大约要花费几分钟到十几分钟时问。
尔后,航天飞机就在选定的轨道上,日夜作无动力飞行(有时需要作些姿态控制或轨道修正),进行各种轨道作业。
3.轨道运行阶段
航天飞机进入轨道以后,作无动力飞行。
根据飞行任务的需要,可在185~1100km的高度上运行7~30d,速度为7.68km/s。
航天飞机在轨道上能够完成各种作业,诸如施放和回收低轨道上的卫星;利用空间拖船或暂用末级向高轨道发射地球同步轨道卫星或深空探测器;打开货舱门暴露货舱内携带的各种科学设备,进行空间实验;携带空间实验室进行各种研究任务;竖起大型天文望远镜,在无大气干扰的环境中进行天体观测;在轨道上完成卫星的维修并重新进行施放等等。
在轨道运行过程中,航天飞机可按需要完成各项操纵飞行。
轨道机动系统和反作用控制系统是轨道运行阶段的执行机构。
利用轨道机动系统,能够完成轨道机动、修正和保持;利用反作用控制系统,航天飞机在轨道上可以采用任何所希望的飞行姿态并加以保持,可以使它的敏感器固定轴指向某一地面目标或空间目标,以满足有效载荷的要求。
其定向精度可达±0.5°以内。
如果有效载荷的特殊实验需要更精确的定向和稳定精度,必须自备稳定和控制系统设备,如三轴实验定向平台等。
此时,航天飞机的姿态控制和轨道控制与卫星、飞船等其他航天器控制的基本原理都是一致的。
航天飞机作为地球和近地轨道间的运输工具,在轨道运行阶段可以把载人的和不载人的有效载荷送入轨道。
它一次可以施放一颗巨型卫星或5~8颗小型卫星。
例如各种民用载荷,如资源卫星、导航卫星、气象卫星、测地卫星、科学卫星、通信卫星和环境监测、高能辐射、材料、工艺实验等卫星,以及各种军用卫星,如各种电子、照相、预警、核爆炸探测、潜艇导航、国防通信等卫星,进行军事侦察或进行军事研究任务。
运送军事有效载荷是航天飞机的主要任务之一。
无论是民用或军用有效载荷,它们的施放都是通过适当操作,逐个施放到轨道上的特定空间位置。
空间机械手是航天飞机施放和回收有效载荷的执行机构。
首先,航天员依靠轨道机动系统将航天飞机调整到便于施放的最佳轨道高度,然后航天员用计算机控制机械手,用电视或通过直接观察修正机械手的动作。
在大多数情况下,施放工作是自动进行的,需要时航天员也可接近有效载荷进行作业。
当机械手把有效载荷抓起并举到货舱的上方时,航天飞机控制系统最后修正其位置和速度。
机械手使有效载荷与航天飞机达到安全距离之后,即可进行施放。
航天飞机最有意义的一项活动是能够在轨道上回收并检修卫星,尔后再重新施放到空间轨道。
航天飞机在轨道平面内具有一定的机动飞行能力,它可以同失效的卫星交会并用机械手将其收回,然后由航天员在货舱内进行检修,拆换陈旧或失效的系统和部件,安装新的敏感器或实验件,补充卫星上的消耗物品,如给气瓶充气、加注燃料等。
检修过的卫星经过测试后,再通过机械手将其施放到轨道上。
整个回收、检修和再施放过程见图lO.9。
图中所示是处于太阳同步轨道高度运行的一种组合式卫星,这种卫星的每个系统均采用标准化的积木式结构,维修和更换系统或部件比较方便。
对于能收回的卫星,如果不能在航天飞机上修复,可带回地球检修,以期再次使用。
对于航天飞机不能取回的大型卫星,只能在空间轨道上修理。
这时,航天员可穿宇宙服离开航天飞机,在空间接近卫星,进行检修。
1992年和1997年航天飞机对“哈勃”太空望远镜的两次检修和升级就是著名的成功实例。
目前,美国的航天飞机就正在承担着国际空间站的在轨组装和建设任务。
显然,航天器的交会控制技术是航天飞机在轨回收检修卫星和搭建空间站的关键。
4.离轨阶段
在轨道器完成预定飞行任务后,准备离开轨道。
首先由反作用控制系统对轨道器进行姿态调整和控制,一般是把轨道器掉转,让轨道机动发动机喷管朝向飞行前方,如图10.5所示。
然后通过航天飞机星载控制计算机系统发出离轨指令,点燃轨道机动发动机,对轨道器实行制动减速。
在离轨制动点火瞬间,反作用控制系统要确保轨道器处于精确的返回姿态。
制动点火10min后,轨道器已降到最有利于再入大气层的高度,此时约为122km,速度7.9km/s,通常称此点为再入点,由此航天飞机进入再入阶段。
在制动点火的同时,反作用控制系统也与轨道机动系统一同工作,保证轨道器以约-1°的再入角和34°的攻角通过再入点进入大气层。
航天飞机的离轨阶段有时也可看作为航天器再入返回的第一阶段。
这里为了便于介绍,把它单独分离出来。
5.再入与着陆阶段
再入与着陆阶段是航天飞机飞行的最后过程,也是控制与操纵最复杂的过程。
这阶段分为再入、末端能量管理和着陆3个过程。
再入过程的轨道高度为122~21km。
再入开始时采用反作用控制系统进行姿态控制以达到制动和降低轨道高度的目的。
当再入8min后,航天飞机高度降到76.84km,速度为7.79km/s。
由于此时气动压力已达1.02Pa,所以对航天飞机进行俯仰和滚动两个方向的姿态控制可以不用反作用控制系统,而改用气动面控制。
此时,航天飞机飞行控制系统靠调整攻角来消除距离误差,并靠调整偏转角来保持动压与速度的关系。
再入后30min30s,航天飞机降到25km高度,速度为731m/s。
此后航天飞机反作用控制系统完全停止工作,下一步的下降控制改用气动控制方法,机翼成为决定性的操纵部件,从此开始了无动力飞行。
当再入后31min33s,航天飞机降到21km的高度,再入过程结束,开始转入末端能量管理过程。
末端能量管理过程的轨道高度约21~3km,该过程控制完全采用气动阻力方法。
航天飞机调整其攻角,把动压保持在68~14Pa这个范围内。
航天飞机能否正常安全着陆完全取决于这一过程的飞行。
由于这个过程完全是无推力飞行,只能利用现有能量来调整各种气动力,从而控制航天飞机飞行,因此不管是利用自动控制或人工操作都要求严格控制航天飞机的能量、高度、速度、飞行路线、航向、距离等参数。
由于航天飞机是一种升力式或称飞航式再入航天器,与弹道式再入航天器,如卫星和载人飞船,相比有很大的特点,而且再入与着陆阶段的控制在航天飞机整个飞行过程中最为复杂,所以有必要针对航天飞机的再入与着陆阶段的控制与制导进一步地介绍。
二.航天飞机的回收
1.回收
在轨完成任务后,按照地面的指令,启动减速火箭,然后运行轨道下降,进入大气层以后,就象普通的大型飞机着陆差不多,不过由于它的巨大的质量和速度,落地后要打开巨大的降落伞才行。
另外,航天飞机返回地面的时机与落地角度非常重要。
如果不合适,有可能钻入地下。
或与地球擦肩而过。
参考文献:
【1】
【2】http:
//航天科技论坛。
com
【3】精品课程
心得体会
通过本次的学习让我感触颇深,这是一个和别人合作的过程,每个组员必须学会动手能力,学会和别人的交流,这对我们现在及以后和别人的交流起到了重要的作用。
以前我们更多地是从书中知道,和别人口述中获的一些科技类的知识。
现在我们可以说是一次飞跃,知识的海洋是无边界的,只要自己学会和别人互动,学会自己一些力所能及的技术,那么我们会有很大的收获,至少会在将来的一段时间内。
最后,我感谢我们沈宏军老师的不辞辛苦,从布置课题到同学们的资料查找一直在关注着,从一个句子,一个很不起眼的问题,由浅入深的给予我们指点,并让我们知道了问题就在我们身边,重大的科技发明创造有时就在我们忽视的一些很平常很简单的现象当中!
就那句话态度决定一切,细节决定成败。
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