空间飞行器动力学与控制 第八课_载人航天技术
假如飞船的再入舱不是大钝头，而像某些返 回式卫星以小头向前再入大气层，则其再入峰值 减加速度将达到18g，航天员就会死亡。
所以，无翼式大钝头的再入舱外形，是早期 载人飞船的理想外形。
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神州五号载人宇宙飞船返回舱
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载人飞船返回地球时必须有气动加热防护系 统和着陆系统。
一般返回和乘员的着陆由专门的舱段来完成 ——再入舱，也称为返回舱或着陆舱。它本身应 具有达到稳定与控制所要求的气动特性的外形， 并且在工作时应保证运动的稳定性、着陆足够的 精确性以及乘员所能承受的过载。
在飞行过程中，航天员将操作座舱内的大量 船载设备单元进行工作，如生命保障系统的一些 设备、乘员装备、手动机构和科学仪表等。座舱 内柔和的光线和明亮的照度，使航天员可以清楚 地分辨仪表的读数。 座舱内除显示仪表外，还有航天员操作的计 算机键盘和一些重要的开关与手柄。 其中关键的按钮开关如“返回火箭点火”、 “舱段分离”、“弹射”、“开伞”等开关必须 用罩子盖起来，防止失误动作造成事故。
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载人飞船的特点：
返回地球 乘员的生活及活动条件
飞行安全
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（1）返回地球的特点
返回地球是每个载人飞船所必须完成的程序 。在完成轨道飞行任务后，为完成返回地球的程 序，必须对飞船实施制动使其进入返回轨道。
对于远距离的飞行必须修正返回轨道，这就 要求飞船具有改变轨道的动力装置及一系列其他 系统，例如姿态控制和运动控制系统，它的执行 机构系统、供电系统等。
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对于进行航天员交换的飞行，飞船必须具有 刚性的对接机构以及密封的过渡通道，对接机构 上应有密封盖和监视对接密封系统。 考虑人出舱到开敞的宇宙空间的问题，在飞 船上应备有宇宙服及其相应的服务系统，而飞船 本身应有闸门舱。
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稳定和控制系统使航天员能在飞行的各个阶 段或者手动地或者自动地操纵飞船，它的功能一 般是进行飞船姿态的控制以及主推进装置点火方 向或推力矢量的控制。 该分系统的所有控制功能都是导航与制导系 统的后援，它也可用作惯性基准的后备系统。
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飞船再入舱的外形很简单，都是无翼的大钝 头体。例如，前苏联的“东方号”飞船，它的再 入舱是球形；美国的“水星号”飞船，其再入舱 形状为钟形。这种大钝头的无翼式再入舱外形结 构简单，工程上易于实现。
当飞船再入大气层时，距地面40km左右的高 空就急剧减速，造成的峰值减加速度为8g左右。 这样的减加速度，对经选拔和训练的航天员来说 是可以承受的。
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除救生塔系统和飞船与运载火箭过渡舱外， “阿波罗”飞船主要由三部分组成，即指挥舱、
服务舱及登月舱，总质量约为45t。
美国“阿波罗”载人飞船
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“阿波罗”飞船 1－逃逸塔；2－指挥仓；3－服务仓；4－登月仓
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第八课_载人航天技术
一、 载人飞船的结构组成
二、 载人飞船的制导与控制
三、 载人飞船的再入返回控制 四、空间站
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பைடு நூலகம்
载人航天是现代科学技术发展的一个显著标
志。
自1961年4月世界上第一艘载人飞船——“东 方号”上天以来，已有40年的历史了。在此期间 ，世界各国为发展载人航天技术，投入了巨大的 人力和物力，实施了一个又一个载人航天计划。 发展载人航天技术，有着重要的经济、科学与军 事上的需要。
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目前，美国、俄罗斯、西欧、日本等还正在 联合组建巨大的永久性载人航天器“国际空间站 ”。
1999年11月至今，我国的“神舟号”试验飞 船也已经多次发射成功。
1981年4月，美国发射成功可重复使用的航 天飞机。前苏联于1988年11月也发射了类似美国 航天飞机的无人航天飞机“暴风雪号”。
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服务舱是飞船的后勤供应部分，呈圆柱体形。 它高约7.6m，直径为3.93m，质量约24～29t，连 接在指挥舱后面。 服务舱结构基本上是由6条化铣铝制梁分开 的两个上下隔框组成，中央是一条通道，周围放 置各种有关系统、设备及容器。
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与控制飞船有关的乘员活动以及完成手控飞 船的动作将影响飞船的结构和飞船上的系统。 在座舱结构设计中，首先要考虑到航天员进 出方便，还要有逃逸口。
控制载人飞船飞行要有乘员的工作位置。该 位置应合理地安排并能观察到飞船外部的状况， 获得飞船各系统工作信息，进行与地球及其他载 人飞船的联系。
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在指挥舱的侧面有一个航天员出入的舱口， 在其后部还有一个通往登月舱的连接隧道舱口。 此外还有两个侧舷窗供航天员摄影和观察用， 两个交会舷窗供交会机动与对接时进行观察与普 通观察用。 指挥舱是一个双壁结构，里层是铝蜂窝结构 的压力舱，铝蜂窝外表面通过隔热层与不锈钢蜂 窝结构相连结，不锈钢蜂窝结构外表面覆盖有烧 蚀防热层。
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二、载人飞船的制导与控制
飞船的制导与控制工作是由两个相互联系的 分系统来完成的，这就是导航与制导系统和稳定 与控制系统。这两个分系统感测出姿态和轨道变 化诸参数，处理这些信息，并把它变为飞船推进 装置的指令。 导航与制导系统的功能是使飞船遵循正确的 航线飞行，它有控制飞船轨道的能力，也要求有 引导救生的能力。
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载人航天器有载人飞船、航天飞机和空间站 等三类。 从1961年起到现在，前苏联已经发射了“东 方号”、“上升号”、“联盟号”3种载人飞船 ，7个“礼炮号” 空间站和1个“和平号”空间 站。 与此同时，美国发射了“水星”、“双子星 座”、“阿波罗”3种载人飞船和1个“天空实验 室”空间站。
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登月舱是在空间和重力较小的月面进行工作 的，它的结构设计考虑主要是发射时的加速度和 在月球着陆时的冲击力，并不受空气动力方面的 影响。 此外，登月舱设计中的一个最大问题是重量 控制，由于登月舱每增加1kg质量都必须付出整 个航天器与燃料质量的更惊人的代价。 因此，特别注意保证结构和系统最少的重复 性考虑。
服务舱还装有推力约100kN的可多次启动 的飞船主发动机，它一直到返回地球，再入 大气层时才抛掉，在地球大气层中烧毁。 服务舱的外壳装有电源系统及环境控制 系统的辐射器以及反作用控制系统的火箭喷 嘴等。
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登月仓在月球
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载人飞船的构造特征
下面以“阿波罗”载人飞船为例说明载人飞 船的构造特征。 “阿波罗”载人飞船是美国的第三代载人飞 船，从1968年到1972年期间进行了11次载人飞行， 其中6次登上月球。首次登月是在1969年7月20日 实现的。当时，“阿波罗一11”把美国航天员阿 姆斯特朗和奥尔德林送上月球。
指挥舱是飞船的控制中心，也是整个飞行任 务中三名航天员生活和工作的主要舱段，同时也 是飞船中惟一要返回地面的部分。 指挥舱的形状为一个圆锥体，高为3.53m， 底部直径为3.93m，质量约6t。舱内装有环境控 制系统、姿态控制系统和无线电通信报话等设备。 舱的中央并排着指令长(相当于船长)、驾驶员和 飞行工程师等三名航天员的座椅。 飞船发射和返回地面的时候，三名航天员躺 在椅子上，其余时间航天员可以离座活动。
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所要求的安全度将影响飞船的外形、各个系 统的性能、火箭飞船整个系统及飞行图。除保证 可靠性以外，还要组织系统的职能备份，如自动 工作状况辅以手动操作，引入专门故障时的乘员 救生设备，装配备份仪表和机件等。 实际上，飞行安全的特点融于飞船设计的各 个方面，这是载人航天器提出的尤为突出的要求 和特点。
登月舱质量为 14t，高6m多。登月 舱由“下降段”和 “上升段”组成。 下降段里有下降发 动机和四条着陆架， 它能够把两名航天 员送到月球上。 上升段里有环境控 “阿波罗”飞船登月仓 制系统、通信和电 1－通道；2－姿态喷管；3－着陆架； 源设备。
4－出入口；5－窗口；6－对接雷达
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飞船的座舱应设有视野开阔的舷窗，航天员 通过舷窗可观察发射前的准备活动，轨道飞行中 交会对接情况，返回点火时的姿态控制与机动和 再入着陆的地面情况等等。
“水星9号”的航天员，在飞船自动控制系统 失灵的紧急情况下，就是通过舷窗观察地平线， 手控飞船姿态，点燃返回发动机，再入大气层获 得了成功。
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（2）保证乘员生活及活动条件的特点
乘员的生活条件只能在宇宙空间的密封舱中 得以保证，为此每个载人飞船均有自己的密封舱 ，其中的大气条件应能满足呼吸的需要并经常地 更新。最好的大气压力及气体成分是相应于地球 海平面处的自然大气压力及气体成分。 在飞船“联盟号”、“联盟TM”和空间站“ 礼炮号”中均保持了这个条件，在“阿波罗”飞 船中采用了降压的纯氧大气。
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