航天飞机结构功能原理介绍 69页PPT文档
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第十章 航天飞机的制导与控制
10.1 航天飞机的结构组成 10.2 航天飞机的控制系统 10.3 航天飞机的飞行控制 10.4 航天飞机再入与着陆的制导与控制
第十章 航天飞机的制导与控制
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。
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。全 长47 m，直径8．64 m，净质量33 t，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600 t多液氧，后储箱装102 t液氢，外储箱总 共可装700 t多的推进剂。
轨道。
1．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。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。
道器，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 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 角翼飞机。它的全长37．24 m，起落架放下时高 17．27 m；三角形后掠机翼的最大翼展23．97 m；不 带有效载荷时质量68 t，飞行结束后，携带有效载荷 着陆的轨道器质量可达87 t。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10.2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 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 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。
间运输工具。
天 飞 机 首 飞 记 录 片
“
哥 伦 比 亚 ” 号 航
航天飞机系统整体外形结构如图10.1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。整个系统全长56．14 m，高 23.34 m，起飞总质量2 000 t多，海平面的起飞总推力 为31,400 kN。航天飞机系统的整体几何尺寸也如图 10.1所示。下面分别针对航天飞机系统的三大部件：轨源自10.1 航天飞机的结构组成
航 天 飞 机 记 录 片
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 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
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，可以由图4.1表示。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。
10.2.1 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 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
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 45．46 m，直径3．7 m，自重83 t，可以装503 t的固 体推进剂，推力13 MN，可以重复使用20次。
10.2 航天飞机的控制系统
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、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 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 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560 km的目标相会合。
图lO.2 航天飞机结构示意图
航天飞机的中段主要 是有效载荷舱。这是一个 长18 m，直径4.5 m，容积 300的大型货舱，一次可携 带质量达29t多的有效载荷， 舱内可以装载各种卫星、 空间实验室、大型天文望 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， 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 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 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 控制部件。
10.1 航天飞机的结构组成 10.2 航天飞机的控制系统 10.3 航天飞机的飞行控制 10.4 航天飞机再入与着陆的制导与控制
第十章 航天飞机的制导与控制
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。
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。全 长47 m，直径8．64 m，净质量33 t，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600 t多液氧，后储箱装102 t液氢，外储箱总 共可装700 t多的推进剂。
轨道。
1．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。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。
道器，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 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 角翼飞机。它的全长37．24 m，起落架放下时高 17．27 m；三角形后掠机翼的最大翼展23．97 m；不 带有效载荷时质量68 t，飞行结束后，携带有效载荷 着陆的轨道器质量可达87 t。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10.2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 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 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。
间运输工具。
天 飞 机 首 飞 记 录 片
“
哥 伦 比 亚 ” 号 航
航天飞机系统整体外形结构如图10.1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。整个系统全长56．14 m，高 23.34 m，起飞总质量2 000 t多，海平面的起飞总推力 为31,400 kN。航天飞机系统的整体几何尺寸也如图 10.1所示。下面分别针对航天飞机系统的三大部件：轨源自10.1 航天飞机的结构组成
航 天 飞 机 记 录 片
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 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
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，可以由图4.1表示。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。
10.2.1 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 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
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 45．46 m，直径3．7 m，自重83 t，可以装503 t的固 体推进剂，推力13 MN，可以重复使用20次。
10.2 航天飞机的控制系统
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、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 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 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560 km的目标相会合。
图lO.2 航天飞机结构示意图
航天飞机的中段主要 是有效载荷舱。这是一个 长18 m，直径4.5 m，容积 300的大型货舱，一次可携 带质量达29t多的有效载荷， 舱内可以装载各种卫星、 空间实验室、大型天文望 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， 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 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 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 控制部件。