第九章 载人飞船的

宇宙空间的问题，则在飞船上应备有宇宙服及其相应的 服务系统，而飞船本身应有闸门舱。 总之，随着飞行阶段的改变，各种不同的因素将作 用于航天员。设计载人飞船的一个主要任务就是防止或 降低这些因素对乘员的作用，也就是保证宇宙飞行的承 受条件。 3．飞行安全的特点 飞行安全在保证其高可靠性和制造载人飞船时具有 重要的作用。任何一种航天器在其研制的开始就应给出 顺利完成任务的概率或是完成飞行计划的可靠性，尔后
备、手动机构和科学仪表等。座舱内柔和的光线和明 亮的照度，使航天员可以清楚地分辨仪表的读数。座 舱内除显示仪表外，还有航天员操作的计算机键盘和 一些重要的开关与手柄。其中关键的按钮开关如“返 回火箭点火”、“舱段分离”、“弹射”、“开伞” 等开关必须用罩子盖起来，防止失误动作造成事故。 飞船操作手柄和飞机上的方向舵脚蹬不同。 对于进行航天员交换的飞行，飞船必须具有刚性 的对接机构以及密封的过渡通道，对接机构上应有密 封盖和监视对接密封系统。如果考虑人出舱到开敞的
2．保证乘员生活及活动条件的特点
乘员的生活条件只能在宇宙空间的密封舱中得以保 证，为此每个载人飞船均有自己的密封舱，其中的大气 条件应能满足呼吸的需要并经常地更新。最好的大气压 力及气体成分是相应于地球海平面处的自然大气压力及 气体成分。在飞船“联盟号”、“联盟TM”和空间站“礼 炮号”中均保持了这个条件，在“阿波罗”飞船中采用 了降压的纯氧大气。 座舱的体积和尺寸应能使人在其中完成习惯的动作 (例如全身的伸展)和相应的飞行任务。第一代飞船“东 方号”、“水星”、“上升号”和“双子星座”由于有 减轻质量的严格要求，所以它们的座舱很狭窄，而“联 盟号”及“阿波罗”的座舱就宽大得多。在座舱中应能
第九章 载人飞船的控制技术
载人航天是现代科学技术发展的一个显著标志。 自1961年4月世界上第一艘载人飞船——“东方号” 上天以来，已有40年的历史了。在此期间，世界各国为 发展载人航天技术，投入了巨大的人力和物力，实施了 一个又一个载人航天计划。发展载人航天技术，有着重 要的经济、科学与军事上的需要。 目前，载人航天器有载人飞船、航天飞机和空间站 等三类。从1961年起到现在，前苏联已经发射了“东方 号”、“上升号”、“联盟号”3种载人飞船，7个“礼 炮号”
空间站和1个“和平号”空间站。与此同时，美国发 射了“水星”、“双子星座”、“阿波罗”3种载人飞船 和1个“天空实验室”空间站。目前，美国、俄罗斯、西 欧、日本等还正在联合组建巨大的永久性载人航天器 “国际空间站”。1999年11月至今，我国的“神舟号” 试验飞船也已经两次发射成功。 1981年4月，美国发射成功可重复使用的航天飞机， 继美国航天飞机之后，前苏联于1988年11月也发射了类 似美国航天飞机的无人航天飞机“暴风雪号”。 本章简要介绍载人飞船的基本结构，以及导航、制 导与控制的基本原理。
件，因此座舱也必须有温控系统。 人的生活与饮食、自然需要的排出、个人的卫生和 睡眠紧密联系着，这就决定了在飞船上必须有足够的食 物、水、卫生保障、不同物品的收集器、卫生设备，以 及为睡眠用的一切设备。所有这些设备应考虑到它们是 工作于一个封闭的体积中和失重的条件下。 与控制飞船有关的乘员活动以及完成手控飞船的动 作将影响飞船的结构和飞船上的系统。
要做出证实；而对于载人飞船还应补加上保证乘员安全 的概率或是飞行安全度。这两个准则决定了相应的概率， 而一般地，第一个给出在95％～98％的水平上，第二个 在99％以上。 所要求的安全度将影响飞船的外形、各个系统的性 能、火箭飞船整个系统及飞行图。除保证可靠性以外， 还要组织系统的职能备份，如自动工作状况辅以手动操 作，引入专门故障时的乘员救生设备，装配备份仪表和 机件等。 实际上，飞行安全的特点融于飞船设计的各个方面， 这是载人航天器提出的尤为突出的要求和特点。
备。飞船由座舱和设备舱组成，其形状像“水星”飞船， 最大直径3.05 m，高5.74 m，总重量3.3～3.8 t，可乘 坐两名航天员，如图9.3所示。
图9.3
美国“双子星座”载人飞船
飞船可以分为两个大部分，即再入段与过渡段，前 者是需要再入回收的部分，后者只在轨道飞行时利用， 再入前将它抛掉。 是一个整体，成为飞船的一个空间辐射器，能把座舱内 的热量排散到宇宙空间中去，保证座舱内有适宜的温度 (3)“阿波罗”载人飞船：“阿波罗”载人飞船是美 国的第三代载人飞船，从1968年到1972年期间进行了11 次载人飞行，其中6次登上月球。首次登月是在1969年7 月20日实现的。当时，“阿波罗-11”把美国航天员阿姆 斯特朗和奥尔德林送上月球。
9.1.2
几种载人飞船的主要构造
目前，世界上已有的载人飞船均是由前苏联和美 国研制、发射的。下面通过这些具体的例子来进一步 说明载人飞船的构造特征。
双子星座载人飞船
1．前苏联的载人飞船 至今，前苏联发展和研制的载人飞船有“东方号”、 “上升号”、“联盟号”3种。为配合载人空间飞行，前 苏联还研制了一次性的自动运输飞船——“进步号”。
阿 波 罗 载 人 飞 船
1．返回地球的特点
返回地球是每个载人飞船所必须完成的程序。在完 成轨道飞行任务后，为完成返回地球的程序，必须对飞 船实施制动使其进入返回轨道。对于远距离的飞行必须 修正返回轨道，这就要求飞船具有改变轨道的动力装置 及一系列其他系统，例如姿态控制和运动控制系统，它 的执行机构系统、供电系统等。 载人飞船返回地球时必须有气动加热防护系统和着 陆系统。一般返回和乘员的着陆由专门的舱段来完成— —再入舱，也称为返回舱或着陆舱。它本身应具有达到 稳定与控制所要求的气动特性的外形，并且在工作时应 保证运动的稳定性、着陆足够的精确性以及乘员所能承 受的过载。
9.1 载人飞船的结构组成
载人飞船是一种 载人的小型航天器， 它的构造要比人造卫 星的构造复杂得多。 载人飞船除了具有类 似人造卫星的结构系 统、姿态控制等设备 之外，为了保证航天 员在飞行过程中正常 的生活和工作，还有 许多特殊的设施。
联 盟 号 载 人 飞 船
载人飞船曾在人类遨游宇宙、突破载人航天方面 起到了历史性的里程碑作用。后来前苏联用它为“礼 炮号”空间站和“和平号”空间站接送航天员以及运 送部分物资。未来载人飞船还将成为空间站和空间基 地的轨道救生艇。 总之，航天器上载人将从根本上改变它的外形、 结构特性设计和制作的方法，这是因为必须保障人在 航天飞行条件下生活和工作所需的一切。
线舱，除天线外还装有稳定伞及红外地平仪。有两个供 航天员出入的舱口，一个在飞船的侧面作进出用，另一 个通过飞船座舱上面的圆柱体。座舱上还有一个大舷窗 供航天员观察用。 在球面烧蚀层中心用三条金属带固定一个制动包， 其中装有3个制动火箭与3个分离火箭。在发射时，救生 塔系统通过夹紧环固定在飞船回收舱顶部，在正常飞行 中飞船飞出大气层时就被抛掉。 (2)“双子星座”载人飞船：“双子星座”载人飞船 是简单的“水星”飞船和复杂的“阿波罗”飞船之间的 桥梁。在1965年和1966年中进行了10次载人飞行，作了 多次轨道交会和对接试验，为“阿波罗”飞船载人登月 飞行作了准
由球形轨道舱、钟形再人舱和圆柱形服务舱等三个 舱段组成，如图9.2所示。
图9.2 “联盟号”载人飞船
2．美国的载人飞船
美国的载人飞船有三种，分别是“水星”、“双子 星座”和“阿波罗”飞船。
(1)“水星”载人飞船：“水星”飞船是美国的第一 代载人飞船，从1961～1963年间进行了6次飞行。 飞船的球面形底部外壳有烧蚀防热层，底部上面的 锥形部分是座舱。座舱外表面有辐射防热结构，内部有 一个载人密封压力舱。座舱内安装有环境控制系统，电 源系统及其他有关系统和设备，此外还有必要的仪表显 示及操纵装置。座舱上面的圆柱部分是回收舱，舱内主 要包含有降落伞系统，外表面为金属铍。顶部截锥是天
(1)“东方号”载人飞船：该系列的载人飞行系统是前 苏联的早期载人飞船，在1961～1963年间共发射6次。 1961年4月，发射了“东方l号”载人飞船，成功地把航天 员加加林送入了近地飞行轨道，飞行108 min后，安全着 陆，完成了人类的第一次载人空间飞行。
“东方号”飞船是由再人舱及设备舱两部分组成(见 图9.1)。这两部分由爆炸锁锁住的四根可系紧的钢带连 结。整个飞船的质量约为4.73 t。 再入舱亦为航天员座舱，是一个直径为2.3 m的球 体，上面覆盖有防热层，它的质量是2.4 t。设备舱是一 个周围装有许多球形容器的双锥结构。在设备舱内装有 轨道飞行时所需要的系统和设备，如电源和压缩气瓶等。 其中还装有制动火箭发动机，用来使飞船制动而脱离轨 道。发动机工作完毕后，进行舱段分离，设备舱及其用 过的制动火箭发动机在稠密大气中烧毁，而再入舱安全 返回地面。
在发射过程中，整个飞船安装在运载火箭头部整流 罩内，以防止发射环境对飞船的影响。当飞船座舱返回 地球到达低空的时候，航天员乘坐弹射座椅离开飞船座 舱，乘降落伞单独着陆。
(2)“上升号”载人飞船：“上升号”飞船基本上是 “东方号”飞船的改型，其构造特征与“东方号”飞船 类似。在座舱外增设了气密过渡舱或称闸门舱，以便进 行舱外活动。由于航天员增至2到3人，从容积上考虑取 消了座舱内的弹射座椅，而用普通座椅代替。此外，还 增加了着陆火箭，用于着陆时进一步降低飞船速度。 (3)“联盟号”载人飞船：在“上升号”飞船结束飞 行后，前苏联的载人空间飞行停顿了两年。至1967年4月， 前苏联开始发射“联盟号”飞船，至今已发射了数十艘。 “联盟号”飞船是苏联的第三代载人飞船，它已改 型两次，分别称“联盟T”和“联盟TM”。“联盟号”系列 飞船高7.48 m，最大直径约2.72 m，总质量为6.8 t，
飞船再人舱的外形很简单，都是无翼的大钝头体。 例如，前苏联的“东方号”飞船，它的再入舱是球形； 美国的“水星号”飞船，其再入舱形状为钟形。这种大 钝头的无翼式再入舱外形结构简单，工程上易于实现。 当飞船再入大气层时，距地面40 km左右的高空就急剧减 速，造成的峰值减加速度为8 g左右。这样的减加速度， 对经选拔和训练的航天员来说是可以承受的。假如飞船 的再入舱不是大钝头，而像某些返回式卫星以小头向前 再入大气层，则其再入峰值减加速度将达到18 g，航天 员就会死亡。所以，无翼式大钝头的再入舱外形，是早 期载人飞船的理想外形。
除救生塔系统和飞船与运载火箭过渡舱外，“阿波 罗”飞船主要由三部分组成，即指挥舱、服务舱及登月 舱(见图9.4)，总质量约为45t。
图9.4 “阿波罗”飞船 1-逃逸塔；2-指挥舱；3-服务舱;4-登月舱
9.2 载人飞船的制导与控制
飞船的制导与控制工作是由两个相互联系的分系统 来完成的，这就是导航与制导系统和稳定与控制系统。 这两个分系统感测出姿态和轨道变化诸参数，处理这些 信息，并把它变为飞船推进装置的指令。 导航与制导系统的功能是使飞船遵循正确的航线飞 行，它有控制飞船轨道的能力，也要求有引导救生的能 力。 稳定和控制系统使航天员能在飞行的各个阶段或者 手动地或者自动地操纵飞船，它的功能一般是进行飞船 姿态的控制以及主推进装置点火方向或推力矢量的控制。 该分系统的所有控制功能都是导航与制导系统的后援， 它也可用作惯性基准的后备系统。
导航与制导系统的功能是使飞船遵循正确的航线飞行它有控制飞船轨道的能力也要求有引导救生的能稳定和控制系统使航天员能在飞行的各个阶段或者手动地或者自动地操纵飞船它的功能一般是进行飞船姿态的控制以及主推进装置点火方向或推力矢量的控制
第九章
9.1 9.2 9.3
载人飞பைடு நூலகம்的控制技术
载人飞船的结构组成 载人飞船的制导与控制 载人飞船的再入返回控制
在座舱结构设计中，首先要考虑到航天员进出方便， 还要有逃逸口。
控制载人飞船飞行要有乘员的工作位置。该位置应 合理地安排并能观察到飞船外部的状况，获得飞船各系 统工作信息，进行与地球及其他载人飞船的联系。因此， 飞船的座舱应设有视野开阔的舷窗，航天员通过舷窗可 观察发射前的准备活动，轨道飞行中交会对接情况，返 回点火时的姿态控制与机动和再入着陆的地面情况等等。 “水星9号”的航天员，在飞船自动控制系统失灵的紧急 情况下，就是通过舷窗观察地平线，手控飞船姿态，点 燃返回发动机，再入大气层获得了成功。 在飞行过程中，航天员将操作座舱内的大量船载设 备单元进行工作，如生命保障系统的一些设备、乘员装