航天飞行器

TONGJI UNIVERSITY

第八章航天飞行器

沈海军教授

同济大学航空航天与力学学院

2012年12月

TONGJI UNIVERSITY

§80

8.0 概述

§

8.1 宇宙航行的基本原理

§8.2 人造地球卫星

§8.3 载人飞船

83

80

TONGJI UNIVERSITY

§8.0 概述

1957年10月04日前苏联用多级火

箭发射了第颗人造地球卫星打开箭发射了第一颗人造地球卫星，打开了人类进入宇宙的大门。几十年来，人类不仅成功地发射了种类众多的人

造地球卫星，而且成功地登上了月球，

，，同时还发射了许多探测地球周围行星的探测器。人类已进入了宇宙航行的时代。

8

1TONGJI UNIVERSITY

§8.1 宇宙航行的基本原理§8118.1.1宇宙速度

8.1.2多级火箭

§§8.1.3火箭的发射

8

11TONGJI UNIVERSITY

§8.1.1 宇宙速度

要作宇宙航行，首先要了解宇宙天体的运动规律十七世纪德国天文学家开普勒动规律，十七世纪德国天文学家开普勒Kepler 提出了行星运动的三定律。

随后牛顿Newton 导出万有引力定律。他认为天体的运动是由于天体间存在引力。天运动是天。引力作用下的天体都在按一定的速度和轨道运行运行轨道是一个截圆锥曲线即圆椭运行。运行轨道是一个截圆锥曲线，即圆、椭圆、抛物线和双曲线。

TONGJI UNIVERSITY

行星运动三定律

1.所有行星的运动轨道

为椭园，太阳位于椭园

为椭园太阳位于椭园O

的一个焦点上。

2.行星的速度是变的，行星中心与太阳中心连

2行星的速度是变的行星中心与太阳中心连

线叫向径，同一时间内向径扫过的面积相等。3.行星绕太阳一周的时间叫周期，它与椭园轨道的半长轴的二分之三次方成正比。

。

TONGJI UNIVERSITY

要使物体飞离地球象天体那样作轨道

飞行，首先需要获得一定的速度。1. 环绕速度，。2绕

32.

脱离速度3.

逃逸速度

TONGJI UNIVERSITY

1. 环绕速度

环绕速度是指人造天体在地球的某一高度上围绕地球进行圆周运动所需要高度上围绕地球进行圆周运动所需要的最小速度，也称为第一宇宙速度。

地球不同高度上的第一宇宙速度不相同。

相同

TONGJI UNIVERSITY

TONGJI UNIVERSITY 造轨道稳定

环绕速度简单推算人造卫星按轨道稳定运行需满足：引

离F F ≥/R

MV F 2

I =离M :卫星质量

R :卫星离地心高度V I :第一宇宙速度

TONGJI UNIVERSITY

F

TONGJI UNIVERSITY

2. 脱离速度

脱离速度是指人造天体在地球的某一高

脱离速度是指人造天体在地球的某高度上摆脱地球引力，进入太阳系，成为太阳系人造行星所需要的最小速度，也称为第二宇宙速度。

地球不同高度上的第二宇宙速度。

TONGJI UNIVERSITY

TONGJI UNIVERSITY

脱离速度的推算

TONGJI UNIVERSITY

在地球表面处，km/s V II 11.189=当发射速度等于时，轨道为抛物线。当速度大于时轨道不再是抛物线II V 时，轨道不再是抛物线，而是双曲线。

II V

TONGJI UNIVERSITY

3. 逃逸速度

逃逸速度是指人造天体在地球的某一高度上摆脱

太阳的引力飞出太阳系太阳的引力，飞出太阳系，

成为恒星际航天器所需要

的度第

的最小速度，也称为第三宇宙速度。高度上的第宇宙

地面高度上的第三宇宙速度为：km/s

V III 7.16=

8

12TONGJI UNIVERSITY

§8.1.2 多级火箭

要飞向宇宙，就要有宇宙速度，这个巨的多

大的速度只有靠多级火箭才能达到。火箭携带大量的推进剂火箭携带大量的推进剂，

燃烧时，火箭的质量迅速变

化，因此必须按照变质量物

体来计算其运动规律，即按

照著名的齐奥尔柯夫斯基公

式进行计算。

TONGJI UNIVERSITY V

V-u 变质量物体运动规律

时间内，t ΔdM 微分表达式Q u dt d dt

dV M +⋅−=⋅微分表达式：

TONGJI UNIVERSITY

单级火箭的理想速度

u: 排气速度

:

Z: 质量比

TONGJI UNIVERSITY

多级火箭的理想速度是：∑∑⋅==n i

i n i lnZ u V V ==1i 1i

8

13

TONGJI UNIVERSITY

§8.1.3 火箭的发射

多级火箭是垂直发射的。这样做的好处是，以尽可能短的时间和距离穿过稠密的，

大气层，减小空气阻力，而且垂直安放也比较方便。

8

2

TONGJI UNIVERSITY

§8.2 人造地球卫星

§821人造星的轨道

8.2.1人造卫星的轨道8.2.2人造卫星的组成

§§8.2.3人造卫星的应用

823§8.2.3人造卫星的回收