哈工大航天学院课程空间飞行器动力学与控制航天飞机技术课件.pptVIP

航天飞机是一种有人驾驶的、主要部分可以重复使用的空间运输工具。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。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，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。

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。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。

外形结构如图所示。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。

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、真正在地球轨道上飞行的部件，像一架大型的三角翼飞机。全长37．24m，起落架放下时高17．27m；三角形后掠机翼的最大翼展23．97m；不带有效载荷时质量68t，飞行结束后，携带有效载荷着陆的轨道器质量可达87t。

轨道器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作高超音速、超音速、亚音速和水平着陆的气动外形，又要有承受再入大气层时高温气动加热的防热系统。轨道器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。

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，前段的核心部分是处于正常气压下的乘员舱。

乘员舱又可分为三层：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，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4至7人，紧急情况下也可容纳10人。

航天飞机的中段主要是有效载荷舱。

航天飞机系统的第二个部件是外储箱，它的作用就是为航天飞机的主发动机储存入轨前所用的全部推进剂。外储箱装在航天飞机的下方，夹在两台固体火箭助推器的中间。它是航天飞机系统上惟一不可回收的部件。

外储箱全长47m，直径8.64m，净质量33t，是一个十分庞大的尖头圆柱体，由铝合金制成。内有前、后两个储箱，前储箱装600t多液氧，后储箱装102t液氢，外储箱总共可装700t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，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45.46m，直径3.7m，自重83t，可以装503t的固体推进剂，推力13MN，可以重复使用20次。

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、入轨、轨道运行、离轨和再入返回等阶段。控制系统任务：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。控制要求：航天飞机又是载人航天器和多次重复使用的，该控制系统的可靠性和安全性等方面的要求极其严格。

航天飞机控制系统包括轨道和姿态控制两个轨道控制具体包括导航、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560km的目标相会合。

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，但它的基本结构和原理与其他各种控制系统依然一致。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个基本单元。

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，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，才能精确确定轨道。

l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。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，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。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个主要部分组成。

l惯性测量单元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，以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。

l星跟踪器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。这种星跟踪器利用电子扫描装置有哪些信誉好的足球投注网站视场，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