航天飞机的制导与控制_精品文档PPT文档格式.ppt

1、第十章第十章 航天飞机的制导与控制航天飞机的制导与控制10.1 航天飞机的结构组成航天飞机的结构组成航航天天飞飞机机记记录录片片 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，通常所说的航天飞机就是指轨道器。航天飞机每飞行一次就要扔掉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轨道器可以重复使用100100次，助推器可以重复使用次，助推器可以重

2、复使用2020次。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。“哥哥伦伦比比亚亚”号号航航天天飞飞机机首首飞飞记记录录片片 航天飞机航天飞机系统整体外形结构如图系统整体外形结构如图10.110.1所示。轨道器所示。轨道器驮在外储箱上，两台固体火箭助推器则平行地挂在外储驮在外储箱上，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，整个系统依箱的两侧。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。整个系统全长靠助推器的尾裙支撑。整个系统全长565614 m14 m，高，高23.34

3、23.34 m m，起飞总质量起飞总质量2 000 t2 000 t多，海平面的起飞总推力为多，海平面的起飞总推力为31,400 31,400 kNkN。航天飞机系统的整体几何尺寸也如图航天飞机系统的整体几何尺寸也如图10.110.1所所示。下面分别针对航天飞机系统的三大部件：轨道器，示。轨道器，外储箱和助推器进行介绍。外储箱和助推器进行介绍。第一部件是轨道器，即航天飞机，它是整个系统第一部件是轨道器，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，它很像一架大型的三真正在地球轨道上飞行的部件，它很

4、像一架大型的三角翼飞机。它的全长角翼飞机。它的全长373724 m24 m，起落架放下时高起落架放下时高171727 m27 m；三角形后掠机翼的最大翼展三角形后掠机翼的最大翼展232397 m97 m；不带有不带有效载荷时质量效载荷时质量68 t68 t，飞行结束后，携带有效载荷着陆飞行结束后，携带有效载荷着陆的轨道器质量可达的轨道器质量可达87 t87 t。它所经历的飞行过程及其环它所经历的飞行过程及其环境比现代飞机要恶劣得多，它既要有适于在大气层中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、亚音速和水平着陆的气动外形，作高超音速、超音速、亚音速和水平着陆的气动外形，

5、又要有承受再人大气层时高温气动加热的防热系统。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，结构因此，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。最复杂，遇到的问题最多的部分。轨道器由前、中、尾三段机身组成，如图轨道器由前、中、尾三段机身组成，如图10.210.2所示。所示。前段结构可分为头锥和乘员舱两部分，头锥处于航天飞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，前段的机的最前端，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。这个乘员舱又可核心部分是处于正

6、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，有分为三层：最上层是驾驶台，有4 4个座位，中层是生活舱，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。一般情况下舱内可容纳下舱内可容纳4 4至至7 7人，紧急情况下也可容纳人，紧急情况下也可容纳1010人。人。图图lO.2 lO.2 航天飞机结构示意图航天飞机结构示意图 航航天天飞飞机机的的中中段段主主要要是是有有效效载载荷荷舱舱。这这是是一一个个长长18 18 m m，直直径

7、径4.5 4.5 m m，容容积积300300的的大大型型货货舱舱，一一次次可可携携带带质质量量达达29t29t多多的的有有效效载载荷荷，舱舱内内可可以以装装载载各各种种卫卫星星、空空间间实实验验室室、大大型型天天文文望望远镜和各种深空探测器等。远镜和各种深空探测器等。航天飞机的后段比较复杂，主要装有三台主发动机，航天飞机的后段比较复杂，主要装有三台主发动机，尾段还装有两台轨道机动发动机和反作用控制系统。在尾段还装有两台轨道机动发动机和反作用控制系统。在主发动机熄火后，轨道机动发动机为航天飞机提供进入主发动机熄火后，轨道机动发动机为航天飞机提供进入轨道、进行变轨机动和对接机动飞行以及返回时脱离

8、轨轨道、进行变轨机动和对接机动飞行以及返回时脱离轨道所需要的推力。反作用控制系统用来保持航天飞机的道所需要的推力。反作用控制系统用来保持航天飞机的飞行稳定和姿态变换。除了动力装置系统之外，尾段还飞行稳定和姿态变换。除了动力装置系统之外，尾段还有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和减速板等气动有升降副翼、襟翼、垂直尾翼、方向舵和减速板等气动控制部件。控制部件。航航天天飞飞机机系系统统的的第第二二个个部部件件是是外外储储箱箱，它它的的作作用用就就是是为为航航天天飞飞机机的的主主发发动动机机储储存存入入轨轨前前所所用用的的全全部部推推进进剂剂。外外储储箱箱装装在在航航天天飞飞机机的的下下方方，夹夹在在

9、两两台台固固体体火火箭箭助助推推器器的的中中间间。它它是是航航天天飞飞机机系系统统上上惟惟一一不不可可回回收收的的部部件件。全全长长47 47 m m，直直径径8 864 64 m m，净净质质量量33 33 t t，是是一一个个十十分分庞庞大大的的尖尖头头圆圆柱柱体体，由由铝铝合合金金制制成成。内内有有前前、后后两两个个储储箱箱，前前储储箱箱装装600 600 t t多多液液氧氧，后后储储箱箱装装102 102 t t液液氢氢，外外储储箱箱总总共共可装可装700 t700 t多的推进剂。多的推进剂。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

10、平行地安装在外储箱的两侧，航天飞机的下方。两台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，每台助推器长约固体火箭助推器的结构完全相同，每台助推器长约454546 m46 m，直径直径3 37 m7 m，自重自重83 t83 t，可以装可以装503 t503 t的固体推进的固体推进剂，推力剂，推力13 MN13 MN，可以重复使用可以重复使用2020次。航天飞机航天飞机控制系统代表了迄今为止最复杂的一种航天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、卫星和飞机器控制系统，它包括运载火箭、卫星和飞机3 3种不同的控种不同的控制，而且要求这三者

11、有机地结合。制，而且要求这三者有机地结合。航天飞机航天飞机的飞行包括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。同时航天飞机又是载人航天器和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，该控制系统的可靠性和安全性多次重复使用的，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。航天飞机控制系统包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

12、导航、括轨道和姿态控制两个部分。轨道控制具体包括导航、制导和控制制导和控制3 3种功能。另外，还可以使航天飞机与同轨道种功能。另外，还可以使航天飞机与同轨道平面内最大相距平面内最大相距560 km560 km的目标相会合。的目标相会合。10.2 航天飞机的控制系统航天飞机的控制系统 尽尽管管航航天天飞飞机机控控制制系系统统具具有有强强大大的的控控制制功功能能和和复复杂杂的的结结构构，但但它它的的基基本本结结构构和和原原理理与与其其他他各各种种控控制制系系统统依依然然一一致致，可可以以由由图图4.14.1表表示示。轨轨道道和和姿姿态态敏敏感感器器、轨轨道道和和姿姿态态执执行行机机构构、计计算算机

13、机依依然然是是构构成成航航天天飞飞机机控控制制系系统统的的3 3个个基本单元。基本单元。10.2.1 10.2.1 航天飞机系统的测量敏感器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，航天飞机系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统上采用了9 9种导航和姿态测量设备，总共种导航和姿态测量设备，总共4040个敏感器，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。机上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，才能精确确定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。1 1惯性测量单元惯性测量单元 航航

14、天天飞飞机机采采用用三三套套惯惯性性测测量量单单元元，以以并并行行冗冗余余方方式式装装在在一一个个整整体体结结构构里里。为为了了保保证证惯惯性性测测量量单单元元的的测测量量精精度度和和对对它它进进行行校校准准的的精精度度，惯惯性性测测量量单单元元与与两两个个星星跟跟踪踪器器装装在在同同一一个个导导航航基基座座上上，位位于于航航天天飞飞机机的的前前舱舱。每每套套惯惯性性测测量量单单元元由由四四框框架架平平台台、电电子子设设备备、输输入入输输出出装装置置和和电电源源4 4个个主主要要部部分分组组成成。平平台台框框架架的的安安装装方方位位从从内内向向外外是是方方位位轴轴、内内滚滚动动轴轴、俯俯仰仰轴轴、外外滚滚动动轴轴。第第四四个个框框架架作作为为冗冗余余，以以保保证证大大姿姿态态运运动动时时框框架架不不少少于于3 3个个自自由由度度。每每个个平平台台内内框框装装有有两两个个三三自自由由度度挠挠性性陀陀螺螺和和两两个个相相互互垂垂直直安安装装的的加加速速度度计。计。2 2星跟踪器星跟踪器 星跟踪器与惯性测量单元在导航基座上的安装位置星跟踪器与惯性测量单元在导航基座上的安装位置如图如图10.210.2所示。两台星跟踪器分别安装在航天飞机轨道所示。两台星跟踪器分别安装在航天飞机轨道器前舱的器前舱的OzOz轴和轴和OyOy轴上。这种星跟踪