也是飛船的指揮中心課件

1、第九章 載人飛船的控制技術(shù)第九章 載人飛船的控制技術(shù)9.1 載人飛船的結(jié)構(gòu)組成9.2 載人飛船的制導(dǎo)與控制9.3 載人飛船的再入返回控制載人航天是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著標(biāo)志。 自1961年4月世界上第一艘載人飛船“東方號”上天以來，已有40年的歷史了。在此期間，世界各國為發(fā)展載人航天技術(shù)，投入了巨大的人力和物力，實(shí)施了一個(gè)又一個(gè)載人航天計(jì)劃。發(fā)展載人航天技術(shù)，有著重要的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)與軍事上的需要。本章簡要介紹載人飛船的基本結(jié)構(gòu)，以及導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的基本原理。 第九章 載人飛船的控制技術(shù) 載人飛船是一種載人的小型航天器，它的構(gòu)造要比人造衛(wèi)星的構(gòu)造復(fù)雜得多。載人飛船除了具有類似人造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)系

2、統(tǒng)、姿態(tài)控制等設(shè)備之外，為了保證航天員在飛行過程中正常的生活和工作，還有許多特殊的設(shè)施。9.1 載人飛船的結(jié)構(gòu)組成 載人飛船曾在人類遨游宇宙、突破載人航天方面起到了歷史性的里程碑作用。后來前蘇聯(lián)用它為“禮炮號”空間站和“和平號”空間站接送航天員以及運(yùn)送部分物資。未來載人飛船還將成為空間站和空間基地的軌道救生艇。 總之，航天器上載人將從根本上改變它的外形、結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)和制作的方法，這是因?yàn)楸仨毐Ｕ先嗽诤教祜w行條件下生活和工作所需的一切。阿波羅載人飛船9.1.1 載人飛船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1、載人飛船的組成 載人飛船的結(jié)構(gòu)采用分艙段布置的原則。從再入與否分為再入艙(也稱返回艙)和其他艙段。再入艙是需要再

3、入大氣層的飛船艙段，它具有再入時(shí)的防熱結(jié)構(gòu)。座艙是再入艙的核心部分，是航天員工作與生活的地方，也是飛船的指揮中心。有些飛船的整個(gè)再入艙就是座艙。 從功能上分，可分為座艙和服務(wù)艙2、載人飛船的特點(diǎn)1）返回地球的特點(diǎn) 改變軌道的動力裝置：在完成軌道飛行任務(wù)后，為完成返回地球的程序，必須對飛船實(shí)施制動使其進(jìn)入返回軌道。對于遠(yuǎn)距離的飛行必須修正返回軌道，這就要求飛船具有改變軌道的動力裝置及一系列其他系統(tǒng)，例如姿態(tài)控制和運(yùn)動控制系統(tǒng)，它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等。 載人飛船返回地球時(shí)必須有氣動加熱防護(hù)系統(tǒng)和著陸系統(tǒng)。一般返回和乘員的著陸由專門的艙段來完成再入艙，也稱為返回艙或著陸艙。它本身應(yīng)具有達(dá)到穩(wěn)定

4、與控制所要求的氣動特性的外形，并且在工作時(shí)應(yīng)保證運(yùn)動的穩(wěn)定性、著陸足夠的精確性以及乘員所能承受的過載。 2）保證乘員生活及活動條件的特點(diǎn) 密封艙：乘員的生活條件只能在宇宙空間的密封艙中得以保證，為此每個(gè)載人飛船均有自己的密封艙，其中的大氣條件應(yīng)能滿足呼吸的需要并經(jīng)常地更新。 座艙的體積和尺寸應(yīng)能使人在其中完成習(xí)慣的動作(例如全身的伸展)和相應(yīng)的飛行任務(wù)。 溫控系統(tǒng)：在座艙中應(yīng)能保持正常的溫度條件，因此座艙也必須有溫控系統(tǒng)。 食物、水、衛(wèi)生保障系統(tǒng)：在飛船上必須有足夠的食物、水、衛(wèi)生保障、不同物品的收集器、衛(wèi)生設(shè)備，以及為睡眠用的一切設(shè)備。所有這些設(shè)備應(yīng)考慮到它們是工作于一個(gè)封閉的體積中和失重的

5、條件下。逃逸口：在座艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先要考慮到航天員進(jìn)出方便，還要有逃逸口。 工作位置和舷窗：工作位置應(yīng)合理地安排并能觀察到飛船外部的狀況，獲得飛船各系統(tǒng)工作信息，進(jìn)行與地球及其他載人飛船的聯(lián)系。因此，飛船的座艙應(yīng)設(shè)有視野開闊的舷窗，航天員通過舷窗可觀察發(fā)射前的準(zhǔn)備活動，軌道飛行中交會對接情況，返回點(diǎn)火時(shí)的姿態(tài)控制與機(jī)動和再入著陸的地面情況等等。 柔和的光線和明亮的照度： 在飛行過程中，航天員將操作座艙內(nèi)的大量船載設(shè)備單元進(jìn)行工作，座艙內(nèi)柔和的光線和明亮的照度，使航天員可以清楚地分辨儀表的讀數(shù)。3）飛行安全的特點(diǎn)任何一種航天器在其研制的開始就應(yīng)給出順利完成任務(wù)的概率或是完成飛行計(jì)劃的可靠性，爾

6、后要做出證實(shí)，一般地，該概率在9598的水平上而對于載人飛船還應(yīng)補(bǔ)加上保證乘員安全的概率或是飛行安全度。相應(yīng)的概率應(yīng)在99以上。除保證可靠性以外，還要組織系統(tǒng)的職能備份，如自動工作狀況輔以手動操作，引入專門故障時(shí)的乘員救生設(shè)備，裝配備份儀表和機(jī)件等。9.1.2 幾種載人飛船的主要構(gòu)造1前蘇聯(lián)的載人飛船 至今，前蘇聯(lián)發(fā)展和研制的載人飛船有“東方號”、“上升號”、“聯(lián)盟號”3種。為配合載人空間飛行，前蘇聯(lián)還研制了一次性的自動運(yùn)輸飛船“進(jìn)步號”。 (1)“東方號”載人飛船：該系列的載人飛行系統(tǒng)是前蘇聯(lián)的早期載人飛船，在19611963年間共發(fā)射6次。1961年4月，發(fā)射了“東方l號”載人飛船，成功地

7、把航天員加加林送入了近地飛行軌道，飛行108 min后，安全著陸，完成了人類的第一次載人空間飛行。 “東方號”飛船是由再入艙及設(shè)備艙兩部分組成。這兩部分由爆炸鎖鎖住的四根可系緊的鋼帶連結(jié)。整個(gè)飛船的質(zhì)量約為4.73 t。 再入艙亦為航天員座艙，是一個(gè)直徑為2.3 m的球體，上面覆蓋有防熱層，它的質(zhì)量是2.4 t。 設(shè)備艙是一個(gè)周圍裝有許多球形容器的雙錐結(jié)構(gòu)。在設(shè)備艙內(nèi)裝有軌道飛行時(shí)所需要的系統(tǒng)和設(shè)備，如電源和壓縮氣瓶等。其中還裝有制動火箭發(fā)動機(jī)，用來使飛船制動而脫離軌道。發(fā)動機(jī)工作完畢后，進(jìn)行艙段分離，設(shè)備艙及其用過的制動火箭發(fā)動機(jī)在稠密大氣中燒毀，而再入艙安全返回地面。 在發(fā)射過程中，整個(gè)飛

8、船安裝在運(yùn)載火箭頭部整流罩內(nèi)，以防止發(fā)射環(huán)境對飛船的影響。當(dāng)飛船座艙返回地球到達(dá)低空的時(shí)候，航天員乘坐彈射座椅離開飛船座艙，乘降落傘單獨(dú)著陸。 (2)“上升號”載人飛船：“上升號”飛船基本上是“東方號”飛船的改型，其構(gòu)造特征與“東方號”飛船類似。在座艙外增設(shè)了氣密過渡艙或稱閘門艙，以便進(jìn)行艙外活動。由于航天員增至2到3人，從容積上考慮取消了座艙內(nèi)的彈射座椅，而用普通座椅代替。此外，還增加了著陸火箭，用于著陸時(shí)進(jìn)一步降低飛船速度。 (3)“聯(lián)盟號”載人飛船：在“上升號”飛船結(jié)束飛行后，前蘇聯(lián)的載人空間飛行停頓了兩年。至1967年4月，前蘇聯(lián)開始發(fā)射“聯(lián)盟號”飛船，至今已發(fā)射了數(shù)十艘。 “聯(lián)盟號”

9、飛船是蘇聯(lián)的第三代載人飛船，它已改型兩次，分別稱“聯(lián)盟T”和“聯(lián)盟TM”?！奥?lián)盟號”系列飛船高7.48 m，最大直徑約2.72 m，總質(zhì)量為6.8 t， 由球形軌道艙、鐘形再入艙和圓柱形服務(wù)艙等三個(gè)艙段組成，如圖9.2所示。圖9.2 “聯(lián)盟號”載人飛船2美國的載人飛船 美國的載人飛船有三種，分別是“水星”、“雙子星座”和“阿波羅”飛船。 (1)“水星”載人飛船：“水星”飛船是美國的第一代載人飛船，從19611963年間進(jìn)行了6次飛行。 飛船的球面形底部外殼有燒蝕防熱層，底部上面的錐形部分是座艙。座艙外表面有輻射防熱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一個(gè)載人密封壓力艙。座艙內(nèi)安裝有環(huán)境控制系統(tǒng)，電源系統(tǒng)及其他有關(guān)系統(tǒng)

10、和設(shè)備，此外還有必要的儀表顯示及操縱裝置。座艙上面的圓柱部分是回收艙，艙內(nèi)主要包含有降落傘系統(tǒng)，外表面為金屬鈹。頂部截錐是天線艙，除天線外還裝有穩(wěn)定傘及紅外地平儀。有兩個(gè)供航天員出入的艙口，一個(gè)在飛船的側(cè)面作進(jìn)出用，另一個(gè)通過飛船座艙上面的圓柱體。座艙上還有一個(gè)大舷窗供航天員觀察用。在發(fā)射時(shí)，救生塔系統(tǒng)通過夾緊環(huán)固定在飛船回收艙頂部，在正常飛行中飛船飛出大氣層時(shí)就被拋掉。 (2)“雙子星座”載人飛船：“雙子星座”載人飛船是簡單的“水星”飛船和復(fù)雜的“阿波羅”飛船之間的橋梁。在1965年和1966年中進(jìn)行了10次載人飛行，作了多次軌道交會和對接試驗(yàn)，為“阿波羅”飛船載人登月飛行作了準(zhǔn)備。飛船可以

11、分為兩個(gè)大部分，即再入段與過渡段，前者是需要再入回收的部分，后者只在軌道飛行時(shí)利用，再入前將它拋掉。再入段又可分為3個(gè)艙。最前面的是交會回收艙，內(nèi)裝有交會雷達(dá)和降落傘系統(tǒng)等，在其前端有一塊玻璃鋼材料制的整流罩，上面有燒蝕材料層，作為交會雷達(dá)的熱防護(hù)。整流罩在運(yùn)載火箭的第二級發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后45 s拋掉。中間的一段為再入控制艙，內(nèi)裝有再入姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)備，再以下就是載人的座艙，內(nèi)乘坐兩名航天員和裝載有關(guān)的儀表設(shè)備。 過渡段又可分為制動艙與設(shè)備艙。制動艙用于飛船再入前的制動，它裝有4個(gè)制動火箭及6個(gè)軌道姿態(tài)及機(jī)動系統(tǒng)的推力燃燒室。設(shè)備艙用于安裝軌道飛行應(yīng)用的各種儀器設(shè)備。從外部結(jié)構(gòu)看，過渡段的兩個(gè)艙

12、實(shí)際上是一個(gè)整體，成為飛船的一個(gè)空間輻射器，能把座艙內(nèi)的熱量排散到宇宙空間中去，保證座艙內(nèi)有適宜的溫度。 (3)“阿波羅”載人飛船：“阿波羅”載人飛船是美國的第三代載人飛船，從1968年到1972年期間進(jìn)行了11次載人飛行，其中6次登上月球。首次登月是在1969年7月20日實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，“阿波羅-11”把美國航天員阿姆斯特朗和奧爾德林送上月球。 除救生塔系統(tǒng)和飛船與運(yùn)載火箭過渡艙外，“阿波羅”飛船主要由三部分組成，即指揮艙、服務(wù)艙及登月艙，總質(zhì)量約為45t。 登月艙由“下降段”和“上升段”組成。下降段里有下降發(fā)動機(jī)和四條著陸架，它能夠把兩名航天員送到月球上。上升段里有環(huán)境控制系統(tǒng)、通信和電源設(shè)

13、備。在登月過程中，兩名航天員在這里生活和工作，登月艙上升段就成為航天員的一個(gè)臨時(shí)性探險(xiǎn)基地。上升段里還有上升發(fā)動機(jī)，航天員在月面上完成任務(wù)后，上升發(fā)動機(jī)使他們飛離月面，送回在月球軌道上飛行的指揮艙。 飛船的制導(dǎo)與控制工作是由兩個(gè)相互聯(lián)系的分系統(tǒng)來完成的，這就是導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)和穩(wěn)定與控制系統(tǒng)。這兩個(gè)分系統(tǒng)感測出姿態(tài)和軌道變化諸參數(shù)，處理這些信息，并把它變?yōu)轱w船推進(jìn)裝置的指令。 導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的功能是使飛船遵循正確的航線飛行，它有控制飛船軌道的能力，也要求有引導(dǎo)救生的能力。 穩(wěn)定和控制系統(tǒng)使航天員能在飛行的各個(gè)階段或者手動地或者自動地操縱飛船，它的功能一般是進(jìn)行飛船姿態(tài)的控制以及主推進(jìn)裝置點(diǎn)火方向

14、或推力矢量的控制。該分系統(tǒng)的所有控制功能都是導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的后援，它也可用作慣性基準(zhǔn)的后備系統(tǒng)。9.2 載人飛船的制導(dǎo)與控制 9.2.1 飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng) 飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)工作一般可有三條不同的渠道，如圖9.6所示。 第一，由地面雷達(dá)監(jiān)視飛船，并將所測得的數(shù)據(jù)傳給地面控制中心的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)將飛船目前的位置與速度由通信系統(tǒng)通知飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)計(jì)算機(jī)； 第二，飛船本身的慣性測量儀器測出的飛船方向和速度的變化，提供給飛船計(jì)算機(jī)； 第三，航天員在飛船上進(jìn)行天體觀測所得的位置與速度數(shù)據(jù)也通過鍵盤輸人飛船計(jì)算機(jī)。 飛船計(jì)算機(jī)在收到這三條渠道的信息后，便與記憶系統(tǒng)儲存的預(yù)定程序資料相比較，從而

15、向飛船發(fā)動機(jī)發(fā)出校正航線的指令和數(shù)據(jù)。 飛船導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)一般包括3個(gè)子系統(tǒng)，即慣性系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。3個(gè)子系統(tǒng)的每一個(gè)在應(yīng)急期間都應(yīng)能獨(dú)立操作，這樣，其中一個(gè)發(fā)生故障將不損壞整個(gè)系統(tǒng)。 (1)慣性測量系統(tǒng)：對于不同的飛船其慣性測量系統(tǒng)是不同的，但其基本慣性導(dǎo)航的原理是一致的。即把加速度計(jì)安裝在由陀螺穩(wěn)定的慣性平臺上，無論飛船的運(yùn)動方向和姿態(tài)如何改變，平臺始終穩(wěn)定保持在慣性空間中的取向，從而保證加速度計(jì)能夠測量出飛船相對于慣性空間的三軸加速度，進(jìn)而積分獲得飛船的飛行速度和位置。本書第八章第8.2節(jié)對此已詳細(xì)介紹，這里不再重復(fù)。 (2)飛船的光學(xué)測量系統(tǒng)：該系統(tǒng)的具體形式也是多種多樣的

16、，其中以“阿波羅”飛船的光學(xué)測量系統(tǒng)最有代表性。這個(gè)系統(tǒng)主要由一個(gè)空間六分儀與一個(gè)掃描望遠(yuǎn)鏡組成，并配以自動星跟蹤器和光度計(jì)等。這是一個(gè)由航天員參與的光學(xué)測量系統(tǒng)或天文導(dǎo)航系統(tǒng)。圖9.7所示的空間六分儀是一個(gè)具有兩條視線的窄視域28倍放大率的儀器。 (3)載人飛船的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：它是整個(gè)導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的心臟。在空間飛行中，為了使由敏感器獲得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生導(dǎo)航或制導(dǎo)信號，要求在作為指令進(jìn)行顯示與發(fā)送之前對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而后在計(jì)算中應(yīng)用，所有這一切都是在計(jì)算機(jī)中完成的。對于空間導(dǎo)航和制導(dǎo)而言，計(jì)算量和復(fù)雜性都很大，需要具有巨大存儲能力的相當(dāng)規(guī)模的數(shù)字計(jì)算機(jī)才能滿足要求。因此，近年來在設(shè)計(jì)與制造航天用的

17、小型計(jì)算機(jī)方面所取得的進(jìn)展是令人鼓舞的。 載人飛行系統(tǒng)與其他飛行系統(tǒng)使用的計(jì)算機(jī)沒有本質(zhì)的區(qū)別，同樣是由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入及輸出裝置等五大部分組成。但是人的存在使得置換有故障的關(guān)鍵部件成為可能，因而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。以“阿波羅”飛船為例，它要求高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性，因此采用完全重復(fù)性設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，并具有指示燈、指令自檢能力以及輸出合理性等提供檢查故障與開關(guān)計(jì)算機(jī)的手段，加上計(jì)算機(jī)由許多可置換的組合件組成，這進(jìn)一步給飛行中進(jìn)行維修帶來了方便。 9.2.2 飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)方法 在載人飛船的空間飛行計(jì)劃中，最終的飛行目的是通過一系列中間飛行逐步達(dá)到的。導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的兩個(gè)基本任務(wù)是保持對

18、飛船位置與速度的精確了解，以及對過程中需要的改變提供控制指令。本節(jié)并不對解決導(dǎo)航與制導(dǎo)問題的現(xiàn)有方法作全面的評述，而只是介紹適用于飛船的一兩種簡明的方法。1導(dǎo)航的計(jì)算方法 確定飛船位置與速度的工作通常指的是導(dǎo)航，很自然地分為兩個(gè)部分慣性飛行與加速飛行。飛船在慣性飛行延伸期間的方位預(yù)測同天文學(xué)家預(yù)測月球與行星位置的問題相類似。它是通過適當(dāng)利用方便的物理量來測量來實(shí)現(xiàn)的。例如：已建立的參考點(diǎn)的距離、速度、仰角與方位角；已知天體視線間的角；行星表觀直徑。當(dāng)敏感器接近數(shù)據(jù)源時(shí)，導(dǎo)航測量會更精確，因此飛船上與地面上的儀器可起互相補(bǔ)充的作用。 長距離預(yù)測能力的提高受幾個(gè)因素影響。首先是解運(yùn)動方程的數(shù)學(xué)方法

19、，除非采用精確的計(jì)算技術(shù)，否則數(shù)值誤差就會傳播，并使解很快惡化；其次，位置與速度的預(yù)測精度取決于我們對太陽系物理特性的知識；最后，也是最重要的一點(diǎn)，就是初始條件的精度。 為了確保精確的初始條件，就必須利用光學(xué)或雷達(dá)測量數(shù)據(jù)對飛船位置與速度的估值進(jìn)行周期性地修正。 2制導(dǎo)的方法 提供控制指令的工作通常稱為制導(dǎo)，可自然地分為兩種類型較大的與較小的機(jī)動。發(fā)射到中間軌道，轉(zhuǎn)移到月球或行星軌道，軌道進(jìn)入與著陸等都屬于較大機(jī)動的例子。它們明顯地不同于以中間過程速度修正為代表的較小軌道變化。在每一種情況下，制導(dǎo)問題總是一個(gè)受到諸如燃料消耗、飛船機(jī)動性及時(shí)間等條件限制的邊值問題。 在較大推力情況下，制導(dǎo)問題的

20、解要求在飛行中臨界時(shí)間內(nèi)執(zhí)行相對復(fù)雜的計(jì)算，圓錐曲線軌道可以用來方便地解決許多制導(dǎo)問題。許多較大的軌道轉(zhuǎn)移機(jī)動在概念上可以通過一個(gè)單一的推進(jìn)速度變化來完成。對于這些情況，根據(jù)圓錐曲線軌道可確定一個(gè)瞬時(shí)的應(yīng)增速度矢量，并且控制飛船使這個(gè)矢量為零。參照圖9.9，對應(yīng)于目前飛船位置 的矢量 定義為滿足一系列預(yù)定飛行目的的期望瞬時(shí)速度， 為目前飛船的速度，那么， 與 之間的速度差 就是瞬時(shí)應(yīng)增速度。 兩種簡單的制導(dǎo)法則將保證 的所有3個(gè)分量同時(shí)趨于零。 (1)可以將飛船定向，使推力加速度矢量 與 的方向?qū)?zhǔn)； (2)因?yàn)槟軌驅(qū)С鲆粋€(gè)對 的時(shí)間變化率(即 )的方便表達(dá)式，所以可以定向 使得 平行于 并且

21、方向相反。假設(shè) 不是足夠大，要對準(zhǔn) 與 似乎是不可能的，然而使用燃燒時(shí)間相對短的典型的化學(xué)火箭是不會遇到困難的。 這兩種方法的組合導(dǎo)致一種高效率的控制法則。從經(jīng)驗(yàn)上來選擇標(biāo)量混合參數(shù) 使得機(jī)動時(shí)極大地節(jié)省燃料，對于特殊的飛行階段一個(gè)常數(shù)值 通常是足夠的；然而，如果需要的話，可以允許它作為某些系統(tǒng)變變量的函數(shù)而變化。 一個(gè)功能圖表示在圖9.10中，該圖說明了對于控制目的所要求的誤差信號的計(jì)算方法。位置、速度及重力矢量的計(jì)算如前面導(dǎo)航部分所述。飛行目的所要求的推進(jìn)速度作為位置矢量的函數(shù)來確定，并用來計(jì)算應(yīng)增速度 。利用前一個(gè)采樣時(shí)間儲存的值，由期望速度矢量的數(shù)值微分法和加速度計(jì)實(shí)際輸出可求出加速度

22、誤差信號。當(dāng)適當(dāng)?shù)馗淖儽壤龝r(shí)，系統(tǒng)輸出是一個(gè)矢量速率指令，其大小正比實(shí)際加速度矢量與指令推力加速度矢量之間的差，而其方向確定了使這個(gè)誤差為零所要求的飛船旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)應(yīng)增速度 很小時(shí)，接近最后機(jī)動并終止矢量積控制，飛船保持一個(gè)不變的姿態(tài)而根據(jù) 矢量大小關(guān)閉發(fā)動機(jī)。9.2.3 飛船的穩(wěn)定與控制 穩(wěn)定與控制系統(tǒng)最基本的要求是在一定的飛行時(shí)間內(nèi)提供飛船繞3個(gè)主軸的姿態(tài)控制。然而，由于載人飛船計(jì)劃的飛行任務(wù)非常特殊，要建立一個(gè)適用于所有情況的一般要求與性能準(zhǔn)則是不可能的。例如，對“水星”飛船最大的姿態(tài)機(jī)動速率高達(dá)12s，以便提供高機(jī)動性及應(yīng)急情況下的快速反應(yīng)；“阿波羅”飛船最大的姿態(tài)機(jī)動速率低于“水星”

23、飛船的120，并且主要是為了滿足導(dǎo)航對準(zhǔn)之間的機(jī)動要求?！鞍⒉_”飛船具有很大的慣性，如采取“水星”飛船的速率，則反作用控制系統(tǒng)的燃料消耗將是巨大的。所以，必須詳細(xì)研究每次飛行任務(wù)與飛船設(shè)計(jì)的特殊要求，然后提供相應(yīng)的穩(wěn)定與控制的措施。 1穩(wěn)定與控制系統(tǒng) 已用于載人飛船姿態(tài)穩(wěn)定與控制的系統(tǒng)主要有以下幾種。 (1)手動一比例系統(tǒng)：手動一比例系統(tǒng)由一個(gè)利用機(jī)械連動裝置與節(jié)流閥相連接的三軸手動控制器組成。通過這些閥供給燃料以產(chǎn)生推力，因而航天器的角加速度本質(zhì)上是與操縱手柄偏轉(zhuǎn)角成比例的，如圖9.11所示。這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)用于軌道飛行任務(wù)的所有階段，并且僅依靠單純目視(無速率與姿態(tài)信息)為成功再入已經(jīng)提供了

24、足夠的控制精度。 手動-比例系統(tǒng)的明顯優(yōu)點(diǎn)是完全與電源無關(guān)，而且航天員操縱比例的控制力矩具有抵消連續(xù)的干擾力矩的能力。實(shí)際上這種系統(tǒng)有若干缺點(diǎn)，復(fù)雜的連動裝置大大地增加了重量，并且引起在提供相應(yīng)的操縱手柄“感覺特性方面的困難；同時(shí)，由于對飛船上其他的系統(tǒng)，例如主發(fā)動機(jī)與制動火箭點(diǎn)火，電源是必不可少的，因而提供完全的機(jī)械系統(tǒng)并未得到實(shí)際的好處；加上各種閥對燃料中的雜質(zhì)較為敏感，而導(dǎo)致刻痕與凝固，所以必須給閥引入一個(gè)重要的死區(qū)非線性特性以便簡化過濾；此外，由于非線性的引入，加之干擾力矩迅速變化，使得手動一比例系統(tǒng)往往工作在開關(guān)方式而不是比例方式。 (2)電傳操縱與最小沖量系統(tǒng)：利用電的方法直接控制

25、反作用發(fā)動機(jī)經(jīng)常稱之為應(yīng)急控制。這里提出的專門術(shù)語“電傳操縱是作為一個(gè)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)提供了操縱飛船的靈活方法。 這種系統(tǒng)正常的機(jī)械操縱是利用三軸手動控制器的操縱手柄偏轉(zhuǎn)到某些角度來操縱微動開關(guān)，以便把飛船電源的電流直接引入反作用發(fā)動機(jī)的電磁閥。如圖9.12所示，在具有兩級推力(如“水星”飛船的4.54 N與108.9 N)的反作用控制系統(tǒng)的情況下，譬如說，低推力可以在操縱手柄偏轉(zhuǎn)到30時(shí)工作，而高推力在操縱手柄偏轉(zhuǎn)到90時(shí)工作。利用手動控制器產(chǎn)生脈沖來獲得速度增量，而不是與正常的手柄偏轉(zhuǎn)角有關(guān)的連續(xù)加速度，從而可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)準(zhǔn)確程度的控制。 (3)速率穩(wěn)定與控制系統(tǒng)：如前面討論的系統(tǒng)那樣，雖然指

26、令輸入是通過手動控制器產(chǎn)生的，但是速率穩(wěn)定與控制系統(tǒng)(或速率指令系統(tǒng))可提供自動阻尼的能力，因此它屬于半自動系統(tǒng)，如圖9.13所示。 裝在飛船體軸上的角速率敏感器的輸出與來自手動控制器的比例輸出相加來操作一個(gè)控制反作用控制系統(tǒng)開關(guān)閥的開關(guān)放大器。這種速率指令系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是具有自動限制機(jī)動速率的能力。當(dāng)燃料消耗與角速率成比例時(shí)，對于像“阿波羅”這樣很大慣性的飛船，必須限制機(jī)動速率小于1s。若單純使用手動系統(tǒng)就要求航天員不斷集中注意力，以防止過大的機(jī)動速率和由此產(chǎn)生的高燃料消耗。 (4)自動穩(wěn)定與控制系統(tǒng)：姿態(tài)控制系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作功能是感測與致動。一般的主動姿態(tài)控制系統(tǒng)是由敏感器、中間控制線路

27、和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，經(jīng)過飛船本體閉環(huán)而成的。一個(gè)自動穩(wěn)定與控制系統(tǒng)最基本的方塊圖如圖9.14所示。2穩(wěn)定與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 載人飛船穩(wěn)定與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則是： 最小重量； 最小功耗； 最小推進(jìn)劑消耗； 最小體積； 高可靠性。 為了獲得載人飛船穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的要求與設(shè)計(jì)原理方面的初步認(rèn)識，首先討論“水星”系統(tǒng)，然后簡略地說明“阿波羅”系統(tǒng)的一些主要要求。 在可靠性方面，為了提高載人飛船穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的可靠性，人們在“水星”，“雙子星座”和“阿波羅”等各代載人飛船的航天實(shí)踐中逐漸建立起了下列各項(xiàng)可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： (1)一旦自動系統(tǒng)失靈，航天員必須具有安全結(jié)束飛行的能力； (2)只要可能，部件就設(shè)計(jì)成“故

28、障保險(xiǎn)”； (3)非安全部件損壞產(chǎn)生的嚴(yán)重影響，必須能由航天員來消除； (4)只要可能，就采用重復(fù)技術(shù)。 這些準(zhǔn)則在實(shí)際飛船的穩(wěn)定和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了重大影響，并且在航天飛行過程中發(fā)揮了作用。 航天飛行任務(wù)結(jié)束時(shí)，要求載人飛船將航天員安全地送回地球表面。載人飛船是以相當(dāng)高的速度繞地球飛行(大約等于第一宇宙速度)或以更高的速度(超過第一宇宙速率)接近地球。為了使飛船降落在地面上，必須減低它的飛行速度。 載人飛船載人過載要小于10 g，因此再人角要限制在13的范圍內(nèi)，這依賴于姿態(tài)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的有效工作。 9.3 載人飛船的再入返回控制 為了達(dá)到這一目的，“水星”載人飛船姿態(tài)控制系統(tǒng)再入返回過程

29、中正常控制程序和性能要求可以概括如下： (1)阻尼飛船與運(yùn)載火箭分離時(shí)產(chǎn)生的飛船姿態(tài)角速率； (2)提供一個(gè)180偏航機(jī)動并達(dá)到一個(gè)零滾動與-34俯仰的姿態(tài)。在這種姿態(tài)下，制動火箭被適當(dāng)對準(zhǔn)以便于制動，而雷達(dá)信標(biāo)的發(fā)射不受到損害； (3)在制動火箭點(diǎn)火之前，保持姿態(tài)在10精度內(nèi)； (4)在制動火箭點(diǎn)火時(shí)，保持姿態(tài)在5精度內(nèi)； (5)達(dá)到一個(gè)俯仰1.5的再入姿態(tài)，然后保持這個(gè)姿態(tài)直到經(jīng)受到O.05 g負(fù)加速度時(shí)為止； (6)提供10s再入滾動速率以便減少落點(diǎn)散布，并且在再人時(shí)限制俯仰與偏航速率振蕩于2s。 圖9.16所示表明對一個(gè)典型情況，落點(diǎn)散布與制動點(diǎn)火時(shí)飛船姿態(tài)之間的關(guān)系，并且指出要保持較

30、低的落點(diǎn)散布，控制系統(tǒng)精度的重要性。圖9.16 飛船制動點(diǎn)火姿態(tài)對著陸點(diǎn)的影響 顯然，可靠地保持制動火箭點(diǎn)火時(shí)的飛船姿態(tài)精度對于飛船成功再入返回而言是至關(guān)重要的。為了保證在各種情況下均能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，提高可靠性，要求一旦載人飛船的自動姿態(tài)控制系統(tǒng)失效，航天員必須具有安全結(jié)束飛行的能力。這一要求由以下措施來保證： (1)通過舷窗與潛望鏡的目視觀察，提供制動點(diǎn)火的另外的姿態(tài)參考； (2)通過獨(dú)立于自動系統(tǒng)的速率陀螺，提供控制制動點(diǎn)火時(shí)的速率信息； (3)通過一套完全備份的反作用控制系統(tǒng)，提供反作用控制力矩來抵消制動火箭產(chǎn)生的干擾與再人時(shí)的氣動干擾，而且控制力矩應(yīng)當(dāng)具有較大的設(shè)計(jì)余量。 利用地球大氣層的空氣阻力減速，尚不能使飛船達(dá)到安全著陸的速度。因此，在飛船下降的最后階段，還必須考慮一種專門的系統(tǒng)來達(dá)到此目的，這就是飛船著陸系統(tǒng)的任務(wù)。 著陸系統(tǒng)是飛船的主要系統(tǒng)之一，它關(guān)系到飛船及航天員是否能安全返回地面的問題。選擇載人飛船的著陸系統(tǒng)，主要是取決于可靠性及航天員的安全性。由于正常及應(yīng)