幻灯片 1

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品翔毛
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1 第一章绪论 1.1 航天技术发展概况 1.2 航天器的分类与系统组成 1.3 航天器控制的基本概念 1.4 姿态控制系统设计的基本要求

2 1.1 航天技术发展概况人类早期的航天探索近代航天技术的发展航天技术发展的里程碑现代航天技术的应用我国航天技术的发展历程

3 1.1.1 人类早期的航天探索与航天有关的神话与传说嫦娥奔月火箭技术的历史第一个试图乘坐火箭上天的人万户

4 1.1.2 近代航天技术的发展近代航天技术的奠基人齐奥尔科夫斯基戈达德奥伯特真正的近代火箭 V-2

5 齐奥尔科夫斯基前苏联科学家, 火箭之父建立了火箭运动的基本数学方程, 奠定航天学的基础首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置, 论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性, 为运载器的发展指出了方向, 这些观点仅仅几十年就成为了现实指出用新的燃料 ( 原子核分解的能量 ) 来作火箭的动力 ; 并具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件, 火箭由地面起飞的条件, 以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想提出过许多的技术建议, 如使用燃气舵来控制火箭, 用泵来强制输送推进剂到燃烧室中, 以及用仪器来自动控制火箭等, 都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用

6 戈达德美国的火箭专家物理学家和现代航天学奠基人之一 ; 1910 年开始进行近代火箭的研究工作 ; 1919 年发表达到极大高度的方法 ; 阐述了火箭飞行的数学原理 ; 指出火箭必须具有 7.9 km/s 的速度才能克服地球的引力 ; 研究了利用火箭把有效载荷送至月球的几种可能方案 ; 从 1921 年开始研制液体火箭,1926 年 3 月 16 日, 进行了人类首次液体火箭飞行试验并获得成功 ; 1932 年首次用陀螺控制的燃气舵操纵火箭飞行 ; 1935 年试验的火箭实现了超音速飞行, 最大射程达 20 km

7 奥伯特 1894 年 6 月 25 日生于罗马尼亚的赫尔曼施塔 ; 在一战服兵役时, 就专注于宇航基础理论的研究 ; 1922 年, 提出空间火箭点火公式和脱离地球引力的方法 ; 1923 年出版飞向星际空间的火箭 ; 1927 年成立德国空间旅行学会, 冯布劳恩为会员 ; 1929 年, 补充修订后, 更名为通向航天之路再次出版 ; 不仅确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理, 而且还说明火箭只要能产生足够的推力, 便能绕地球轨道飞行 ; 对许多推进剂的组合进行了广泛的研究曾执教于柏林大学维也纳工程学院德累斯顿大学

8 V-2 火箭 1932 年, 德国发射 A2 火箭, 飞行高度达到 3 km; 1942 年 10 月 3 日, 德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道导弹 V-2(A4 型 ), 于 1944 年 9 月 6 日首次投入使用单级液体火箭, 最大射程 320 km, 飞行时间约 320 s; 航天技术发展史上的一个重要里程碑

9 1.1.3 航天技术发展的里程碑 1957/10/4 前苏联用卫星号运载火箭发射技术指标卫星呈球形外径 0.58 m 外伸 4 根条形天线质量 83.6 kg 在轨工作了 3 个月第一颗人造卫星

10 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次击中月球月球 2 号第一次拍照月球月球 3 号 1959 年 1 月 2 日, 苏联的月球 1 号未能命中月球 ; 1959 年 9 月 12 日, 月球 2 号发射, 两天后在月球表面的澄海硬着陆, 但停止工作 ; 1959 年 10 月 4 日, 月球 3 号飞往月球,3 天后拍摄了第一张月球背面的照片月球 1 号月球 2 号

11 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一个深空探测器先驱者 5 号 1960/3/11 前苏联从 km 远处发回了探测数据

12 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次对太阳系行星的探测金星 1 号 1961/2/21 前苏联金星 1 号探测器开始人类对太阳系行星的探测

13 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一个宇航员尤里加加林 1961/4/12 前苏联第一艘载人飞船东方号揭开人类进入太空的序幕世界载人航天的开始

14 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次成功飞越金星水手 2 号 1962/8/27 美国水手 2 号探测器第一次成功飞越金星

15 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次成功飞越火星水手 4 号 1964/11/28 美国水手 4 号探测器第一次成功飞越火星

16 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次太空行走上升号 1965/3 前苏联上升号载人飞船前苏联航天员走出舱外实现了人类第一次太空行走

17 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次交会对接联盟号 1966/1 前苏联两艘联盟号载人飞船第一次在轨道上成功交会对接实现了两位航天员从一艘飞船向另一艘飞船的转移

18 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次登月阿波罗 11 号阿姆斯特朗阿波罗载人飞船奥尔德林 1969/7/20 美国月球静海西南角 22Kg 月球岩石和土壤样品

19 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一个空间站礼炮 1 号 1971/4/19 前苏联长 12.5 米,18.5 吨 ; 轨道 200 多千米 ; 与联盟号对接组成居住舱, 容积 100 立方米, 可住 6 名宇航员 ; 运行 6 个月, 完成使命后于同年 10 月 11 日在太平洋上空坠毁

20 1.1.3 航天技术发展的里程碑飞离太阳系的第一个人造天体先驱者 10 号 1972/3/2 美国木星和深远空间探测器携有表明人类信息的镀金铝板经过 11 年飞行, 于 1983 年 6 月越过海王星轨道, 而后成为飞离太阳系的第一个人造天体

21 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次在金星着陆金星 9 号 1975/6/8 前苏联金星 9 号在金星表面拍摄了一张金星全景照片, 首次向人们展露出它的容颜

22 1.1.3 航天技术发展的里程碑美国前苏联飞船第一次对接 1975/7/18 美国阿波罗号飞船与前苏联联盟 19 号飞船在大西洋上空对接成功

23 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次在火星着陆海盗 1 号 1975/8/20 美国长为 5.08 m, 重 3530 kg; 工作六年, 发回五万多幅照片, 分辨率高达 200 m; 四次探测实验中, 没有发现任何高级生命痕迹

日成功飞越土星 ; 旅行者 2 号于 1977 年 8 月 20 日升空,1979 年 8 月 7 日飞越木星,

24 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一次对天王星和海王星进行探测旅行者 2 号旅行者 1 号旅行者 2 号旅行者 1 号于 1977 年 9 月 5 日升空, 于 1979 年 3 月 5 日飞越木星, 1980 年 11 月 13 日成功飞越土星 ; 旅行者 2 号于 1977 年 8 月 20 日升空,1979 年 8 月 7 日飞越木星, 1981 年 8 月 26 日飞越土星,1986 年 1 月 24 日飞越天王星,1989 年 8 月 8 日成功飞越海王星

25 1.1.3 航天技术发展的里程碑第一架航天飞机哥伦比亚号 1981/4 美国 2003/2/1 空中解体

26 1.1.3 航天技术发展的里程碑运行时间最长的载人航天器和平号空间站 1986/2~ 2001/3/23 前苏联和平号空间站目前在轨运行时间最长的载人航天器, 在轨运行超过 15 年

27 1.1.3 航天技术发展的里程碑最大规模的航天器国际空间站自 1997 年起开始建设美国俄罗斯加拿大日本意大利欧洲空间局

28 1.1.4 现代航天技术的应用阶段划分 20 世纪 50 年代末期 60 年代以来 70 年代 80 年代中后期典型应用研究试验阶段科学卫星与应用卫星军民用卫星已全面进入应用阶段微 / 小卫星北斗导航试验卫星定位原理图

29 典型应用第一颗通信卫星斯科尔号 1958/12 美国第一颗通信卫星斯科尔号

30 典型应用第一颗气象卫星泰罗斯 1 号 1960/4 美国第一代试验型极轨气象卫星系列泰罗斯 1 号自旋稳定遥感设备 - 电视摄像机

31 典型应用第一颗导航卫星子午仪 1B 号 1960/4 美国对导航卫星方案及其关键技术进行试验鉴定低轨道导航卫星海军导航卫星系统 (NNSS) 为核潜艇和海面舰船提供二维定位, 用于海上石油勘探和海洋调查定位陆地用户定位和大地测量等

32 典型应用第一颗地球同步轨道通信卫星辛康 1 号 1963/7 美国第一颗地球同步轨道通信卫星

33 典型应用第一颗地球静止轨道通信卫星辛康 3 号 1964/8 美国第一颗地球静止轨道通信卫星转播了 1964 年东京奥运会

34 典型应用第一颗商用通信卫星国际通信卫星 1 号 1965/4 美国正式为北美与欧洲之间提供通信业务标志着通信卫星进入了实用阶段

35 典型应用第一颗地球资源卫星陆地卫星 1 号 1972/7/23 美国三轴稳定对地定向,900Km 近圆太阳同步轨道 ; 调查地下矿藏海洋资源和地下水资源等

36 典型应用 1982/11 美国第一次航天飞机的商业性飞行哥伦比亚号 1984/11 美国第一次双向运载飞行哥伦比亚号施放了两颗卫星并回收了两颗失效的通信卫星第一次实现了双向运载任务

37 典型应用第一颗跟踪和数据中继卫星 TDRS /4 美国世界上第一颗跟踪和数据中继卫星 TDRS-H

38 典型应用最大的小卫星星座铱星全球电话通讯系统 1999 美国铱星全球电话通讯系统 66 颗小型卫星

39 典型应用全球定位导航系统 GPS/GLONASS/GALILEO 美国 GPS 卫星欧洲 GALILEO 系统模拟图俄罗斯 GLONASS 卫星

40 1.1.5 我国航天技术的发展历程第一颗卫星东方红 1 号 1970/4/24 东方红一号

41 1.1.5 我国航天技术的发展历程第一颗返回式遥感卫星 1975/11 第一颗返回式遥感卫星

42 1.1.5 我国航天技术的发展历程 1984/4 1986/2 第一颗静止轨道试验通信卫星东方红 2 号第一颗静止轨道实用通信卫星东方红 2 号开始了用我国自己的通信卫星进行卫星通信的历史

43 1.1.5 我国航天技术的发展历程第一颗气象卫星风云一号 1988/9 极轨气象卫星高分辨率可见光 - 红外扫描仪天气预报和环境监测风云一号 a 星风云一号 c 星影像镶嵌图

44 1.1.5 我国航天技术的发展历程 20 世纪 90 年代发射的典型卫星东方红三号风云二号资源卫星

45 1.1.5 我国航天技术的发展历程长征系列运载火箭

46 1.1.5 我国航天技术的发展历程神舟系列载人飞船

47 1.2 航天器的分类与系统组成按载人与否分类人造地球卫星的功能分类航天器的基本系统组成

48 1.2.1 按载人与否分类航天器人造地球卫星载人航天器宇宙探测器科学卫星应用卫星技术实验卫星载人飞船空间站航天飞机月球探测器行星际探测器恒星际探测器

49 1.2.2 人造地球卫星的功能分类观测站侦察卫星气象卫星地球资源卫星海洋卫星预警卫星核爆炸探测卫星天文观测卫星基准站中继站通信卫星广播卫星跟踪和数据中继卫星轨道武器导航卫星测地卫星拦截卫星轨道轰炸系统

50 1.2.3 航天器的基本系统组成有效载荷合成孔径雷达可见光或 CCD 相机粒子探测器天文望远镜红外探测器无线电侦察接收机红外扫描辐射仪电视摄像机保障系统结构系统热控制系统电源系统 GNC 系统测控系统回收系统环境控制系统交会与对接系统

51 1.3 航天器控制的基本概念轨道控制姿态控制姿态控制与轨道控制的关系姿态控制系统分类

52 1.3.1 轨道控制轨道确定 ( 导航 ) 研究如何确定航天器的位置和速度轨道控制 ( 制导 ) 根据位置速度飞行最终目标, 对质心施以控制力, 以改变运动轨迹的技术轨道机动轨道保持轨道交会再入返回控制

53 1.3.2 姿态控制姿态确定研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法 ; 可以是惯性基准或其他基准, 如地球 ; 采用姿态敏感器和相应的数据处理方法 ; 确定精度取决于数据处理方法和敏感器精度姿态控制在规定或预定方向 ( 参考方向 ) 上定向的过程 ; 姿态稳定是指使姿态保持在指定方向 ; 姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程

54 姿态稳定和姿态机动姿态稳定特点长期而持续的所需控制力矩较小种类定向粗对准精对准姿态机动特点短暂过程所需控制力矩较大种类再定向捕获跟踪和搜索

55 1.3.3 姿态控制与轨道控制的关系为实现轨道控制, 航天器姿态必须符合要求 ; 在某些具体情况或某些飞行过程中, 可把姿态控制和轨道控制分开考虑 ; 某些应用任务对航天器轨道没有严格要求, 而对航天器姿态确有要求 ; 例如 : 空间环境探测卫星绕地球的运行往往不需要轨道控制, 卫星在开普勒轨道上运行就能满足对环境探测的要求

56 1.3.4 姿态控制系统分类根据姿态稳定方式三轴稳定保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向自旋稳定绕自旋轴旋转, 依靠旋转动量矩在惯性空间的指向根据力来源被动控制不需消耗星上能源, 如重力梯度力矩磁力矩等主动控制星上自主控制星 - 地大回路控制, 消耗电能和工质

57 1.4 姿控系统设计的基本要求姿态控制系统的任务姿态控制系统的设计要求姿态控制系统的设计步骤需注意的问题

58 1.4.1 姿态控制系统的任务

59 1.4.2 姿态控制系统的设计要求可靠性控制性能动量稳定性稳态精度动态响应控制系统质量和能源需求附带要求经济性坚固性生产可能性

60 1.4.3 姿态控制系统的设计步骤了解任务参数任务类型质量结构轨道几何参数任务寿命精度机动要求推导出控制系统质量和能源需求可靠性及寿命动量要求力矩要求 : 大小频率杠臂限制动态响应精度能源要求具体设计

61 1.4.4 需注意的问题正确提出对控制系统的需求明确设计输入, 建立正确的数学模型设计输入 : 卫星轨道及飞行程序卫星及其附件几何质量结构动力干扰力矩推进系统数学模型可以繁简不同, 把握截断准则多种方法进行设计验证保留必要的余量和后备手段认真研究地面试验和飞行试验数据

62 谢谢!

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Space International 国际太空总第 472 期 2040 是对第二次计划的修订和增补第卫星领域韩国自 1992 年拥有首颗卫星以来三次航天开发振兴基本计划既是韩国文在寅政府出共计研制发射了 13 颗卫星目前 4 颗在轨运行 7 台的航天五年基本计划同时也是对上政策规划韩国最新航天发展规划研究 Analysis on the Lastest Korean National Space Plan 祁首冰付郁北京空间科技信息研究所 2018 年 2 月 5 日韩国航天最高决策机构韩国国家航天委员会召开第 14 次会议审议并通过了韩国第三次航天开发振兴基本计划简称第三次计划明确了未来 5 年韩国航天发展的目标重点任务和实