10.2 航天飞机的控制系统
航天飞机控制系统代表了迄今为止最复杂的一种航天 航天飞机控制系统代表了迄今为止最复杂的一种航天 器控制系统,它包括运载火箭,卫星和飞机3种不同的控 器控制系统,它包括运载火箭,卫星和飞机3 而且要求这三者有机地结合.航天飞机的飞行包括 制,而且要求这三者有机地结合.航天飞机的飞行包括 发射上升,人轨,轨道运行,离轨和再人返回等阶段. 发射上升,人轨,轨道运行,离轨和再人返回等阶段. 控制系统要保证航天飞机在各种飞行状况下正常执行任 务和安全可靠地运行. 务和安全可靠地运行.同时航天飞机又是载人航天器和 多次重复使用的,因此, 多次重复使用的,因此,该控制系统的可靠性和安全性 等方面的要求也都是极其严格的. 等方面的要求也都是极其严格的.航天飞机控制系统包 括轨道和姿态控制两个部分.轨道控制具体包括导航, 括轨道和姿态控制两个部分.轨道控制具体包括导航, 制导和控制3种功能.另外, 制导和控制3种功能.另外,还可以使航天飞机与同轨道 平面内最大相距560 km的目标相会合 的目标相会合. 平面内最大相距560 km的目标相会合.
轨道器由前, 轨道器由前,中,尾三段机身组成,如图10.2所示. 尾三段机身组成,如图10.2所示. 10.2所示 前段结构可分为头锥和乘员舱两部分, 前段结构可分为头锥和乘员舱两部分,头锥处于航天飞 机的最前端,具有良好的气动外形和防热系统, 机的最前端,具有良好的气动外形和防热系统,前段的 核心部分是处于正常气压下的乘员舱. 核心部分是处于正常气压下的乘员舱.这个乘员舱又可 分为三层:最上层是驾驶台, 个座位,中层是生活舱, 分为三层:最上层是驾驶台,有4个座位,中层是生活舱, 下层是仪器设备舱.乘员舱为航天员提供宽敞的空间, 下层是仪器设备舱.乘员舱为航天员提供宽敞的空间, 航天员在舱内可穿普通地面服装工作和生活.一般情况 航天员在舱内可穿普通地面服装工作和生活. 下舱内可容纳4 紧急情况下也可容纳10 10人 下舱内可容纳4至7人,紧急情况下也可容纳10人.
天 飞 机 首 飞 记 录 片 哥 伦 比 亚 " 号 航 "
航天飞机系统整体外形结构如图10.1所示. 航天飞机系统整体外形结构如图10.1所示.轨道器 系统整体外形结构如图10.1所示 驮在外储箱上, 驮在外储箱上,两台固体火箭助推器则平行地挂在外储 箱的两侧.当航天飞机竖立在发射台上时, 箱的两侧.当航天飞机竖立在发射台上时,整个系统依 靠助推器的尾裙支撑.整个系统全长56 56. m, 靠助推器的尾裙支撑.整个系统全长56.14 m,高 m,起飞总质量2 t多 23.34 m,起飞总质量2 000 t多,海平面的起飞总推力 kN. 为31,400 kN.航天飞机系统的整体几何尺寸也如图 10.1所示 下面分别针对航天飞机系统的三大部件: 所示. 10.1所示.下面分别针对航天飞机系统的三大部件:轨 道器,外储箱和助推器进行介绍. 道器,外储箱和助推器进行介绍.
10.1 航天飞机的结构组成
航 天 飞 机 记 录 片
目前,美国的整个航天飞机系统,是由一个轨道器, 目前,美国的整个航天飞机系统,是由一个轨道器, 一个外储箱和两个固体火箭助推器所组成,通常所说的 一个外储箱和两个固体火箭助推器所组成, 航天飞机就是指轨道器. 航天飞机就是指轨道器.航天飞机每飞行一次就要扔掉 一个外储箱,而固体火箭助推器和轨道器仍能重复使用. 一个外储箱,而固体火箭助推器和轨道器仍能重复使用. 轨道器可以重复使用100 100次 助推器可以重复使用20 20次 轨道器可以重复使用100次,助推器可以重复使用20次. 因此当前的航天飞机是一种部分可重复使用的第一代空 间运输工具. 间运输工具.
第十章 航天飞机的制导与控制
10.1 10.2 10.3 10.4 航天飞机的结构组成 航天飞机的控制系统 航天飞机的飞行控制 航天飞机再入与着陆的制导与控制
第十章 航天飞机的制导与控制
航天飞机是一种有人驾驶的, 航天飞机是一种有人驾驶的,主要部分可以重复使用 是一种有人驾驶的 的空间运输工具.它可以像火箭那样垂直起飞, 的空间运输工具.它可以像火箭那样垂直起飞,像载人飞船 那样在轨道上运动,像飞机那样滑翔,在地面上水平着陆. 那样在轨道上运动,像飞机那样滑翔,在地面上水平着陆. 航天飞机除了运载和部署卫星以外,还可以检修,回收卫星,ห้องสมุดไป่ตู้航天飞机除了运载和部署卫星以外,还可以检修,回收卫星, 或进行空间营救.在军事方面, 或进行空间营救.在军事方面,航天飞机还可以执行载人近 地轨道实时侦察,拦截卫星,战略轰炸等任务.在空间科学 地轨道实时侦察,拦截卫星,战略轰炸等任务. 技术的应用方面也非常广泛, 技术的应用方面也非常广泛,如发射空间实验室和建立永久 性国际空间站等. 性国际空间站等.
第一部件是轨道器,即航天飞机, 第一部件是轨道器,即航天飞机,它是整个系统 的核心部分.轨道器是整个系统中惟一可以载人的, 的核心部分.轨道器是整个系统中惟一可以载人的, 真正在地球轨道上飞行的部件, 真正在地球轨道上飞行的部件,它很像一架大型的三 角翼飞机.它的全长37 37. m, 角翼飞机.它的全长37.24 m,起落架放下时高 17. m;三角形后掠机翼的最大翼展23 23. m; 17.27 m;三角形后掠机翼的最大翼展23.97 m;不 带有效载荷时质量68 t,飞行结束后, 带有效载荷时质量68 t,飞行结束后,携带有效载荷 着陆的轨道器质量可达87 t. 着陆的轨道器质量可达87 t.它所经历的飞行过程及 其环境比现代飞机要恶劣得多, 其环境比现代飞机要恶劣得多,它既要有适于在大气 层中作高超音速,超音速, 层中作高超音速,超音速,亚音速和水平着陆的气动 外形, 外形,又要有承受再人大气层时高温气动加热的防热 系统.因此,它是整个航天飞机系统中,设计最困难, 系统.因此,它是整个航天飞机系统中,设计最困难, 结构最复杂,遇到的问题最多的部分. 结构最复杂,遇到的问题最多的部分.
lO. 图lO.2 航天飞机结构示意图
航天飞机的中段主要 是有效载荷舱. 是有效载荷舱 . 这是一个 直径4 长18 m,直径4.5 m,容积 300的大型货舱 的大型货舱, 300的大型货舱,一次可携 带质量达29 多的有效载荷, 29t 带质量达29t多的有效载荷, 舱内可以装载各种卫星, 舱内可以装载各种卫星 , 空间实验室, 大型天文望 空间实验室 , 远镜和各种深空探测器等. 远镜和各种深空探测器等 .
1.惯性测量单元 航天飞机采用三套惯性测量单元, 航天飞机采用三套惯性测量单元,以并行冗余方式装 在一个整体结构里. 在一个整体结构里.为了保证惯性测量单元的测量精度和 对它进行校准的精度, 对它进行校准的精度,惯性测量单元与两个星跟踪器装在 同一个导航基座上,位于航天飞机的前舱. 同一个导航基座上,位于航天飞机的前舱.每套惯性测量 单元由四框架平台,电子设备,输入/输出装置和电源4 单元由四框架平台,电子设备,输入/输出装置和电源4 个主要部分组成.平台框架的安装方位从内向外是方位轴, 个主要部分组成.平台框架的安装方位从内向外是方位轴, 内滚动轴,俯仰轴,外滚动轴.第四个框架作为冗余, 内滚动轴,俯仰轴,外滚动轴.第四个框架作为冗余,以 保证大姿态运动时框架不少于3个自由度. 保证大姿态运动时框架不少于3个自由度.每个平台内框 装有两个三自由度挠性陀螺和两个相互垂直安装的加速度 计.
3.航天员光学瞄准具 它由准直仪,光学十字线,光束分离器和光源组成. 它由准直仪 , 光学十字线, 光束分离器和光源组成. 当惯性测量单元偏差大于O.5°或星跟踪器不在视场内时, 当惯性测量单元偏差大于O 或星跟踪器不在视场内时, 航天员可人工操作光学瞄准具对惯性测量单元进行校准, 航天员可人工操作光学瞄准具对惯性测量单元进行校准 , 同时也可以用来检查发动机关机点的轨道器姿态. 同时也可以用来检查发动机关机点的轨道器姿态. 4.速率陀螺 它作为航天飞机的姿态和速率测量的敏感器, 它作为航天飞机的姿态和速率测量的敏感器,共采 10个 其中4个斜装用在轨道器上升, 用10个.其中4个斜装用在轨道器上升,离轨和再入着陆 阶段,另外6个分别安装在两台固体助推火箭上, 阶段,另外6个分别安装在两台固体助推火箭上,用于俯 仰和偏航通道的测量. 仰和偏航通道的测量.
两台固体火箭助推器是航天飞机系统的第三个部件, 两台固体火箭助推器是航天飞机系统的第三个部件, 它平行地安装在外储箱的两侧,航天飞机的下方. 它平行地安装在外储箱的两侧,航天飞机的下方.两台 固体火箭助推器的结构完全相同, 固体火箭助推器的结构完全相同,每台助推器长约 45. m,直径3 m,自重83 t,可以装503 t的固 45.46 m,直径3.7 m,自重83 t,可以装503 t的固 体推进剂,推力13 MN,可以重复使用20 20次 体推进剂,推力13 MN,可以重复使用20次.
2.星跟踪器 星跟踪器与惯性测量单元在导航基座上的安装位置 如图10.2所示. 10.2所示 如图10.2所示.两台星跟踪器分别安装在航天飞机轨道 器前舱的Oz轴和Oy轴上. Oz轴和Oy轴上 器前舱的Oz轴和Oy轴上.这种星跟踪器利用电子扫描装 置搜索视场,并捕获星目标.它由成像装置——光电析 置搜索视场,并捕获星目标.它由成像装置 光电析 像管,光电倍增管,光学系统,遮光罩和电子线路等5 像管,光电倍增管,光学系统,遮光罩和电子线路等5个 主要部分组成.星跟踪器视场10°×10°,通过计算机 主要部分组成.星跟踪器视场10°×10° 10°×10 引导星跟踪器扫描全视场.测量角度精度为1′ 1′, 引导星跟踪器扫描全视场.测量角度精度为1′,能跟踪 亮度等级为+3到一7等的星. +3到一 亮度等级为+3到一7等的星.星跟踪器用来精确测量轨道 器在轨道段的姿态, 器在轨道段的姿态,同时也作为对惯性测量单元中陀螺 漂移的校准装置. 漂移的校准装置.
尽管航天飞机控制系统具有强大的控制功能和复杂的 结构, 结构 ,但它的基本结构和原理与其他各种控制系统依然 一致,可以由图4 表示.轨道和姿态敏感器, 一致,可以由图4.1表示.轨道和姿态敏感器,轨道和姿 态执行机构,计算机依然是构成航天飞机控制系统的3 态执行机构,计算机依然是构成航天飞机控制系统的3个 基本单元. 基本单元. 10.2.1 航天飞机系统的测量敏感器 为了确定航天飞机系统的轨道和姿态, 为了确定航天飞机系统的轨道和姿态,航天飞机系 统上采用了9种导航和姿态测量设备,总共40个敏感器, 40个敏感器 统上采用了9种导航和姿态测量设备,总共40个敏感器, 在很多场合下把这些轨道和姿态测量简称为导航. 在很多场合下把这些轨道和姿态测量简称为导航.机上 自主轨道确定往往需要精确的姿态信息, 自主轨道确定往往需要精确的姿态信息,才能精确确定 轨道. 轨道.