飞行器能量管理研究论文

本文由北京宇航系统工程研究所的李平岐 陈海鹏 洪刚 朱永泉 王建明等共同编撰，发表于《国际太空2017年09期》，以下为文章内容：

对于载人登火任务，若采用常规的化学推进技术，地球出发规模达到1400t，而采用核热推进技术后，地球出发规模可降低至800t。核热推进技术以其高比冲、大推力的独特性能，具有化学推进火箭无法比拟的深空探测优势。

前期火星探测任务表明，火星上具备生命存在的某些必备条件，尤其是水的发现，极大地激发了人类在火星上寻找生命的热情，成为近年来国际深空探测的热点。核热推进技术以其高比冲、大推力的独特性能，具有化学推进技术无法比拟的深空探测优势。而且随着核动力技术的逐步发展，核能源安全问题可以得到可靠解决。为了确保我国在未来深空探测领域能够发挥更大作用，发展核热推进技术具有重大意义。

本文以载人登火任务为背景，对核热推进运载器的总体方案进行了初步研究，对核热推进运载器的总体性能、设计特点以及关键技术进行了初步分析和梳理。

随着人类对火星的了解越来越多，美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局都已开始进行移民火星的科学研究，有望在21世纪30年代中期实现人类登陆火星的梦想。其中，美国国家航空航天局早在1988年就已经开始了载人火星探测的方案研究，并形成了载人登陆火星的“火星参考任务”（DRM）系列方案。

美国《载人火星 探索 设计参考体系》（Mars ），基本确立了“重型运载火箭+核动力末级”的总体方案，其基本方案为采用7发重型火箭将核热推进级、载人/货运有效载荷送至近地轨道，之后在近地轨道分别对接成2发货运火箭和1发载人火箭，由核热推进运送至火星并返回地球。早期，美国载人火星探测方案曾提到过利用传统化学推进系统进行载人登火，地球出发规模高达1400t。核热推进系统的结构与化学火箭发动机类似，推力也大致相当，但比冲提高到900 950s左右，地球出发规模得以降低到800t。Mars 方案总体上采取“人货分运、物先人后”的原则。

美国Mars 载人登火方案

参考美国Mars 方案，我国也开展了初步的载人登火任务规划，按照地球出发规模700 800t考虑，共进行7 8次发射，在近地轨道进行5次对接。

1）由重型运载火箭1将核热推进奔火变轨级1送入近地轨道；

2）由重型运载火箭2将核热推进奔火变轨级2送入近地轨道；

3）由重型运载火箭3将轨道舱1（火星着陆下降器和上升器）送入近地轨道；

4）由重型运载火箭4将轨道舱2（火星表面生活舱和火星车）送入近地轨道；

5）由重型运载火箭5将核热推进奔火变轨级3送入近地轨道；

6）由重型运载火箭6将液氢贮箱送入近地轨道；

7）由重型运载火箭7将载人摆渡航天器（含飞船2）送入近地轨道；

8）由载人火箭将载人飞船1送入近地轨道。

将核热推进奔火变轨级1和轨道舱1在近地轨道对接，由核热推进奔火变轨级1将轨道舱1送入奔火轨道，轨道舱1与奔火变轨级1分离，之后由轨道舱1制动、气动减速将下降器和上升器送入环火轨道，下降器和上升器着陆火星表面；将核热推进奔火变轨级2和轨道舱2在近地轨道对接，由核热推进奔火变轨级2将轨道舱2送入奔火轨道，轨道舱2与奔火变轨级2分离，之后由轨道舱2制动、气动减速将火星表面生活舱和火星车送入环火轨道，等待后续入轨的载人飞船；将热推进奔火变轨级3、液氢贮箱、载人摆渡航天器和载人飞船1依次在近地轨道对接，航天员由载人飞船进入摆渡飞行器，由核热奔火变轨级3（和液氢贮箱）将载人摆渡航天器和载人飞船送入奔火轨道、环火轨道。载人摆渡飞行器和先入轨的火星表面生活舱在环火轨道对接，生活舱与摆渡飞行器其他部分分离，之后生活舱和飞船2降落在火星表面。

完成使命后，航天员通过火星上升级和飞船2进入火星轨道，并与载人摆渡航天器其他部分和载人飞船1进行交会对接。返回地球之前，航天员进入载人飞船1，与摆渡航天器分离，直接再入地球。

核热推进动力系统主要包括核热发动机和增压输送系统两部分组成。目前，国内核热发动机还处于概念设计阶段，核热发动机在原理上与以液氢为工质的膨胀循环发动机类似，不同的是将氢氧燃烧室替换成核反应堆。液氢推进剂从贮箱出来经泵增压后首先进入发动机冷却夹套冷却推力室后气化，之后分为两路：一路直接进入推力室，另一路吹动涡轮后进入推力室。进入推力室的氢气经核反应堆加热之后，变成高温高压气体经喷管高速喷出，形成推力。

核热发动机概念原理图

（1）核热发动机比冲

发动机比冲正比于推进介质温度的开方，反比于分子量的开方。由于材料及传热的限制，燃烧室温度一般不会超过3000 4000K，因此降低分子量是提高比冲的有效途径。

化学燃烧产物的分子量一般都超过10，而核热发动机可以直接将低分子量介质加热至高温，从而产生高比冲。目前而言，核热发动机最好的工作介质是液氢，既有良好的冷却和膨胀做功能力，又是分子量最小的单质。为最大化提高介质温度，核燃料棒技术水平对比冲性能起着决定性作用，是核热发动机最为核心的关键技术，也是我国在核热发动机领域与国外差距较大的技术。

目前，俄罗斯在该领域处于最高水平，其三元碳化物技术可将氢加热到2800K以上，从而实现发动机比冲超过900s。在发动机面积比为300和喷管效率为的情况下，随着氢加热温度的提高，比冲相应发生变化。

（2）核热发动机推质比

核热发动机由于有核反应堆及相关屏蔽层的存在，推质比低于常规的液体火箭发动机，但远大于电推进发动机，美国核热发动机推质比设计值最高达到，一般取在3 4之间。核热发动机推质比取决于与核相关的组件，如反应堆、反射层、屏蔽层、控制机构等，与常规低温发动机相关组件，如推力室、喷管、涡轮泵等质量仅占10%左右。

对于核热发动机的反应堆，构成部分主要由堆芯（含燃料和慢化剂等）、反射层、反应性控制系统、屏蔽以及其他堆内构件组成。

以美国载人登陆火星用的核热发动机反应堆为例，经估算，核反应堆的总质量约3422kg，而发动机推力约，推质比为。再综合考虑发动机喷管、涡轮泵以及推进剂输送管等，实际工程应用中核热发动机推质比在3左右。

（3）核热发动机起动、关机性能

常规火箭发动机的能量来源于推进剂的化学反应，其加速累积和减速释放的过程与推进剂的供应量直接关联，因此可以实现比较快速的起动和关机。

而核热发动机采用核反应堆作为能量来源，其起动关机过程很大程度上取决于反应堆的工作需求和特性，特别是核反应堆在停堆过程中，部分产物的辐射效应还会持续较长时间，需要持续予以冷却。

通过分析美国的核热发动机研制经验，核热火箭发动机的起动关机过程与常规火箭发动机有一定的差异，尤其是在发动机关机后还要维持一个较长时间的冷停堆过程。

对34吨级月球摆渡用核热发动机的起动和关机特性进行了初步分析，该发动机以美国“运载火箭用核发动机”（NERVA）计划研制发展的NRX系列发动机为原型，设计总温2361K，设计室压，真空比冲822s，设计推力下流量为。

1）起动过程。核热火箭发动机的起动过程与常规低温火箭发动机有点类似，但时间要长得多。

起动第一阶段，液氢在贮箱压力作用下流经涡轮泵、推力室、反应堆等，反应堆处于较低功率，该过程大约需要25s，主要作用是将发动机充分预冷，并将反应堆预热。

第二阶段发动机开始加速起动，温度达到额定工况，推力达到额定推力的60%，历时约；

第三阶段是在总温保持不变的情况下，室压增大至额定工况，推力达到100%，历时约。总体来看，核热发动机起动过程历时约52s，扣除发动机预冷时间，也需要约27s，起动过程的平均比冲大约只有600s。

2）关机过程。核热发动机的关机过程基本是起动过程的逆过程，但耗时要更长一些。首先，发动机要先降功率至60%工况。这一过程发动机总温保持不变，室压降低，历时约，此过程发动机比冲不变；而后，发动机在这一状态维持1 3min，主要目的是降低后续冷停堆过程中废热的产生量，以节省推进剂消耗；然后，发动机总温、推力再继续下降到发动机关机，还需要维持一个长时间小流量冷却的废热排放阶段。该34吨级核热发动机的整个关机过程历时约350s。整个关机过程中，发动机平均比冲约为600s。

核热发动机与常规发动机最大的不同就在于发动机关机后还存在一个废热排放的阶段，这主要是由于反应堆停堆后，一些反应产物仍然具有很强的放射性，会释放出废热。以34吨级月球摆渡用核热发动机为例，该过程持续约64h，推力约为134N，比冲约400s，由于持续时间较长，这一过程中液氢消耗需要考虑，同时，这一过程的冷却氢可设计用于发电，为整个飞行器提供一定的电力来源。

核反应堆在运行时将放出γ射线和大量的中子，这些射线和中子将对航天器上的电子元器件和航天员产生危害，因此需要加以屏蔽，将其辐射水平降到许可值以下。对于空间应用的反应堆，由于体积质量的限制较严格，其电子元器件和航天员处于相对集中的位置，可采用阴影屏蔽的方式，将辐射水平保持在较低水平。

对于使用核动力的航天器，一般设计成细长形结构，即仪表舱、人员舱位于一端，核反应堆位于另一端，两端之间为液氢贮箱。

由于中子及γ射线的直线运动特定，且需屏蔽的位置相对集中，需要将屏蔽的区域放在屏蔽块的阴影区。

辐射屏蔽布置示意图

参考大亚湾和秦山核电站大修制定的防护指标，集体剂量不超过600（人·mSv），个人最大剂量不超过15mSv，考虑到核热推进末级受体积质量的限制，其辐射水平可能会略高，假设核热推进系统辐射安全区的允许泄露值小于每天20mSv，此数值已大大超出大亚湾和秦山核电站大修时制订的辐射防护指标要求。

按照火星探测任务周期为3年考虑，并假设上述辐射被火箭电气产品全部吸收，则整个任务周期累计吸收剂量为，在目前的产品水平下，非抗辐射半导体元器件可以承受不小于100J/kg的电离辐射剂量。

可见，火箭电气产品受到的辐射剂量要小于元器件的承受能力，核热推进对电气系统方案并不产生本质影响，但是核热发动机必须具备基本的辐射屏蔽能力，将对外辐射控制到一个可接受的范围内。

对于深空探测任务，复杂的深空辐射环境是航天器面临的主要环境，暴露在地磁层之外的深空环境中充满了高能量的混合空间辐射。

采用核热推进的航天器布置图

根据航天器在深空的飞行阶段可将深空环境分为三部分：

一是从地球飞往其他星球旅途中的空间辐射环境，其主要辐射源是太阳粒子事件和银河宇宙射线；

二是航天器降落星体过程中的空间辐射环境，其主要辐射源为星体磁场俘获的太阳宇宙射线和银河宇宙射线粒子；

三是航天器所降落的星体表面的辐射环境，主要是星体吸收宇宙辐射后所发生的二次辐射。

深空辐射环境引起的危害主要是辐射损伤和单粒子事件，深空辐射环境中充满的高能电子、质子和少量的重离子与航天器材料作用，将引起航天器材料的性能损伤与破坏，其中高能电子对航天器材料产生电离作用、高能质子和重离子对航天器材料产生电离作用和位移作用。

在进行深空探测航天器电气系统设计时，要考虑光热辐射引起的单粒子事件造成计算错误，或改变存储器中的数值等风险，软件设计时需考虑这种情况，采用计算冗余、错误校验等方法进行检测判别，确保箭机计算的正确性。

核热推进上面级的工作环境在大气层以外，不会受到气动载荷的作用，因此其结构方案设计可以不受气动外形限制。以俄罗斯发布的核热动力运载器的概念图为例，运载器的主体承载结构以杆系为主，以此来提高运载器结构效率。而且由于没有整流罩空间的限制，有效载荷结构形式的灵活性更大、空间分布方案更多。

核热推进系统只需要液氢一种工质，因此只需要液氢一种贮箱，不需要另外设置氧化剂贮箱，在结构设计上的约束更少，可以更好地进行结构方案的优化。

但是采用核热发动机后，相比常规发动机将承受更恶劣的高温环境条件，这就需要在结构设计过程中全面考虑发动机附近结构、仪器和电缆等的热防护需求，保证各系统、单机的正常工作。

而且与常规发动机相比，核热发动机结构更加笨重，这就需要增大发动机部分，尤其是反应堆周围的结构强度，同时保证发动机各部件的密封性。

俄罗斯核热动力运载器概念图

参考美国Mars 方案，提出了与美国类似的载人登火初步方案，地球总出发规模约700 ~ 800t，分三次完成地火转移，单次地球出发规模约300吨级。通过分析从停泊轨道分别加速至地球出发能量C3e为8或20km2/s'时的发射效率、工作时间、引力损失以及入轨质量，给出核热推进末级的推力规模以及核热发动机的总体参数建议。

假设停泊轨道为高度200km的近地圆轨道，核.热发动机推质比取3、比冲取905s，考虑引力损失影响，不同推力规模情况下，对核热推进运载器的发射效率情况进行分析，其中，发射效率指扣除核热发动机干重的入轨质量(进入地火转移轨道)与停泊轨道出发质量的比。可以看出，当过载在之间时，其发射效率最高。

在发射效率已经考虑了不同过载的情况下，变轨时间不同带来引力损失影响，具体影响为过载越小，工作时间越长，引力损失越大，但发动机干重较小。按照单次地火转移的出发规模300t考虑，核热推进剂运载器的推力应该在45t左右最佳，结合美国、俄罗斯核热发动机研究情况，建议核热发动机推力按照15t考虑，核热推进运载器按照3机并联。

地球转移发射效率随过载变化情况

核热推进技术以其大推力、高比冲等特点在未来深空探测任务中具有无可比拟的优势，但也应看到，目前距离核热技术的工程应用还有很长的路要走，还需要攻克很多的技术难题。根据目前的基于核热推进的载人登火任务分析，核热推进运载器从地球出发到达火星需要约180天，在火星停留- -段时间后(一个星期至一年半时间不等)，核热发动机再点火返回地球，因此推进剂长期贮存时间应至少为半年时间，这对现有液氢长期储存技术的挑战极大。

另外，核热发动机推力高温气氢比热(总温2500K时约为20000kJ/kg K)要远高于传统氢氧发动机的高温燃气比热( 燃气总温3400K，燃气比热3000kJ/kg K左右)，导致壁面热流密度高于传统发动机，从而给冷却带来极大困难。

因此，要实现核热推进在载人登火任务中的应用，需重点解决核热反应堆小型化、核热发动机推力室冷却、推进剂长期贮存等重大技术难题。

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“我知道地球是圆的，因为我看见了圆形；然后，又看到它还是立体的。当我往下看时，……看到印度洋上船舶拖着尾波前进，非洲一些地方出现灌木林火，一场雷电交加的暴风雨席卷了澳大利亚1000英里的地区，呈现出大自然的一幅立体风景画。” 这是航天员在谈到从航天飞机上看地球的情景时的一段描述。航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一，它推动着人类科学技术的进步，使人类活动的领域由大气层内扩展到宇宙空间。航天技术是现代科学技术的结晶，是基础科学和技术科学的集成，航天技术是一个国家科学技术水平的重要标志。航天技术是一门综合性的工程技术，主要包括：制导与控制技术，热控制技术，喷气推进技术，能源技术，空间通信技术，遥测遥控技术，生命保障技术，航天环境工程技术，火箭及航天器的设计、制造和试验技术，航天器的发射、返回和在轨技术等。由多种技术融于一体的航天系统是现代高技术的复杂大系统，不仅规模庞大，技术高新、尖端，而且人力、物力耗费巨大，工程周期长。时至今日，航天技术已被广泛应用到政治、军事、经济和科学探测等领域，已成为一个国家综合国力的象征。人类很早就有遨游太空、征服宇宙的理想。宇宙的星球对人类一直充满着吸引力和神秘感，许多美丽的神话和传说，反映了人类对宇宙的向往和探索空间奥秘的心情。《嫦娥奔月》、《牛郎织女》，以及孙悟空腾云驾雾、一个筋斗十万八千里等。航天飞行的历史是从火箭技术的历史开始的，没有火箭也就没有航天飞行。追溯源头，中国是最早发明火箭的国家。“火箭”这个词在三国时代(公元220～280年)就出现了。不过那时的火箭只是在箭杆前端绑有易燃物，点燃后由弩弓射出，故亦称为“燃烧箭”。• 随着中国古代四大发明之一的火药出现，火药便取代了易燃物，使火箭迅速应用到军事中。公元lO世纪唐末宋初就已经有了火药用于火箭的文字记载，这时的火箭虽然使用了火药，但仍须由弩弓射出。真正靠火药喷气推进而非弩弓射出的火箭的外形被记载于明代茅元仪编著的《武备志》中，见图。这种原始火箭虽然没有现代火箭那样复杂，但已经具有了战斗部(箭头)、推进系统(火药筒)、稳定系统(尾部羽毛)和箭体结构(箭杆)，完全可以认为是现代火箭的雏形。中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用了串联(多级)和并联(捆绑)技术以提高火箭的运载能力。明代史记中记载的“神火飞鸦”就是并联技术的体现；“火龙出水”就是串、并联综合技术的具体运用，如图所示。世界上第一个试图乘坐火箭上天的“航天员”也出现在中国。相传在14世纪末期，中国有位称为“万户”的人，两手各持一大风筝，请他人把自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有47支当时最大的火箭(又称“起火”)。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力来实现“升空”的理想。“万户”的勇敢尝试虽遭失败并献出了生命，但他仍是世界上第一个想利用火箭的力量进行飞行的人。 19世纪末20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物K．3．齐奥尔科夫斯基(~OHCTaHTHH3ayap且oBHq UHOaKOBCKHfi)，R．戈达德(Robert Goddard)，H．奥伯特(Hermann Oberth)。 前苏联科学家齐奥尔科夫斯基一生从事利用火箭技术进行航天飞行的研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明了用多级火箭可以克服地心引力进入太空的论点。 1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。 2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。 3、指出过用新的燃料(原子核分解的能量)来作火箭的动力；并具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的条件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。 4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵来控制火箭，用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火箭等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。 美国的火箭专家、物理学家和现代航天学奠基人之一戈达德博士在1910年开始进行近代火箭的研究工作，他在1919年发表的《达到极大高度的方法》的论文中，阐述了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有7．9 km／s的速度才能克服地球的引力，并研究了利用火箭把有效载荷送至月球的几种可能方案。 德国的奥伯特教授在他1923年出版的《飞向星际空间的火箭》一书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够的推力，便能绕地球轨道飞行。同齐奥尔科夫斯基和戈达德一样，他也对许多推进剂的组合进行了广泛的研究。 在1932年德国发射A2火箭，飞行高度达到3 km。1942年10月3日，德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道导弹¡ª¡ªV¡ª2(A4型)，并于1944年9月6日首次投入作战使用。V-2的成功在工程上实现了19世纪末、20世纪初航天技术先躯者的技术设想，并培养和造就了一大批有实践经验的火箭专家，对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。V-2的设计虽不尽完善，但它却是人类拥有的第一件向地球引力挑战的工具，成为航天技术发展史上的一个重要里程碑。 • 1957年10月4日，前苏联用¡°卫星¡±号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外径O．58 m，外伸4根条形天线，质量83．6 kg，卫星在天上正常工作了3个月。按照今天的标准衡量，前苏联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆球，但它却是世界上第一个人造天体，把人类几千年的梦想变成了现实，为人类开创了航天新纪元，标志着人类活动范围的又一飞跃。 • 1961年4月12日，前苏联成功地发射了第一艘¡°东方号¡±载人飞船，尤里.加加林成为人类第一位航天员，揭开了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新时代。• 1962年8月27日，美国发射的“水手2号”探测器第一次成功飞越金星。• 1969年7月20日，美国N．A．阿姆斯特朗和E．E．奥尔德林乘坐¡°阿波罗11号¡±飞船登月成功，在月球静海西南角着陆，成为涉足地球之外另一天体的首批人员。他们在月球上安放了科学实验装置，拍摄了月面照片，搜集了22虹月球岩石与土壤样品，然后自月面起飞，与指挥舱会合，返回地球。首次实现了人类登上月球的理想。 • 1971年4月19日，前苏联¡°礼炮1号¡±空间站人轨成功，其质量约18 t，总长14 m，轨道高度200～250 km，轨道倾角51．6。，成为人类第一个空间站，完成了有关天体物理学、航天、医学、生物学等方面的科研计划，考察地球资源和进行长期失重条件下的技术实验。• 1972年3月2日，美国发射了木星和深远空间探测器¡°先驱者10号¡±。它携有表明人类信息的镀金铝板，经过11年飞行，于1983年6月越过海王星轨道，而后成为飞离太阳系的第一个人造天体。• 1975年6月8日，前苏联发射了¡°金星9号¡±探测器，实现了在金星表面着陆。• 1975年7月18日，美国¡°阿波罗号¡±飞船与前苏联¡°联盟19号¡±飞船在大西洋上空对接成功(视频资料)。• 1975年8月20日，美国发射了¡°海盗1号¡±探测器，第一次在火星表面着陆成功(视频资料)。• 1977年9月，美国发射了¡°旅行者2号¡±探测器，对天王星、海王星进行探测。• 1981年4月，世界上第一架垂直起飞、水平着陆、可重复使用的美国航天飞机¡°哥伦比亚号¡±试飞成功，标志着航天运载器由一次性使用的运载火箭转向重复使用的航天运载器的新阶段，是航天史上一个重要的里程碑，标志着人类在空间时代又上了一层楼，进入了航天飞机时代。至2000年10月，航天飞机已成功飞行100次。 • 1986年2月，前苏联¡°和平号¡±轨道空间站发射成功，它成为目前人类发射的在轨运行时间最长的载人航天器，在轨运行超过15年。2001年3月23日，¡°和平号¡±轨道空间站被引入大气层销毁，完成了其辉煌的历史使命。 • 目前，更大规模的国际空间站在美国、俄罗斯、加拿大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行在轨组装建设¡­¡­人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门! • 不难看出，从公元10世纪的中国火箭到第二次世界大战的V一2导弹，人类是出于军事需求发展了火箭技术，而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自20世纪40年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋完善。 • 航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星得到了很大发展。至70年代，军、民用卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。 • 回顾近50年来航天技术应用的历程，具有代表性的大事列举如下：• 1958年12月，美国发射了世界上第一颗通信卫星¡°斯科尔号¡±；• 1960年4月，美国先后发射了世界上第一颗气象卫星¡°泰罗斯1号¡±和导航卫星¡°子午仪1B号¡±；• 1963年7月，美国发射了世界上第一颗地球同步轨道通信卫星；• 1964年8月，美国发射了世界上第一颗地球静止轨道通信卫星；• 1965年4月，美国成功地发射了世界上第一颗商用通信卫星¡°国际通信卫星1号¡±，正式为北美与欧洲之间提供通信业务，它标志着通信卫星进入了实用阶段；• 1972年7月，美国发射了世界上第一颗地球资源卫星¡°陆地卫星1号¡±；• 1982年11月，美国航天飞机开始商业性飞行；1984年11月，美国航天飞机成功地施放了两颗卫星并回收了两颗失效的通信卫星，第一次实现了双向运载任务；• 1983年4月，美国发射了世界上第一颗跟踪和数据中继卫星；• 1999年，由66颗小型卫星组网形成的美国¡°铱¡±星全球电话通讯系统建成并投入使用。• 目前，美国的GPS系统和俄罗斯的卫星导航系统已成为全世界各领域普遍应用的定位导航系统，发挥着巨大的作用。• 在我国，继1970年4月24日首颗卫星¡°东方红一号¡±发射成功以来，航天技术的发展和应用也取得了巨大的成就：• 1975年11月，我国第一颗返回式遥感卫星发射成功，并顺利回收；• 1984年4月，我国第一颗静止轨道试验通信卫星发射成功；• 1986年2月，我国第一颗静止轨道实用通信卫星发射成功；• 1988年9月，我国第一颗气象卫星¡°风云一号¡±发射成功；• 至2000年10月，我国¡°长征¡±系列运载火箭已成功发射62次。• 进入20世纪90年代，我国航天技术应用的步伐进一步加快，大容量通信卫星¡°东方红三号¡±、气象卫星¡°风云一号¡±和¡°风云二号¡±以及资源卫星先后发射成功。• 1999年11月20日我国成功发射了第一艘试验飞船¡°神舟号¡±，在载人航天领域迈出了坚实的一步¡­¡­综上可见，从1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功算起，迄今仅40余年，航天技术取得了如此巨大的成就是前所未有的，产生了巨大的社会效益与经济效益。 总之，随着航天技术应用的发展，航天活动已越来越显示出其巨大的军事意义和经济效益，已成为国民经济和国防建设的一个重要组成部分。反过来，这种社会和经济效益又进一步推动着航天技术日新月异的发展。• 航天技术是一门研究和实现如何把航天器送人空间，并在那里进行活动的工程技术。它主要包括航天器、运载工具和地面测控三大部分。为了便于了解，我们首先对航天器进行分类。• 同一个航天器可兼有数种任务，故机械地、绝对地分类，是不可能的。同一类航天器，往往包括了几种系列，而每一系列又可分成数种不同的卫星系统或型号。• 航天器可分为无人航天器与载人航天器两大类。无人航天器按是否绕地球运行又可分为人造地球卫星和宇宙探测器两类。它们又可以进一步按用途分类，如图所示。 • 简称人造卫星，是数量最多的航天器(占90％以上)。它们的轨道长度由i00多公里到几十万公里。按用途它们又可分为： 目前的载人航天器只在近地轨道飞行和从地球到月球的登月飞行。今后将出现可以到达各种星球的载人飞船，以及供人类长期在空间生活和工作的永久性空间站。载人航天器按飞行和工作方式可分为： 可以重复使用的，往返于地面和高度在1000 km以下的近地轨道之间，运送有效载荷的航天器。 3．宇宙探测器 旅行者1号 旅行者2号• 按航天器在轨道上的功能来进行分类，就人造地球卫星而言，可分为观测站、中继站、基准站和轨道武器四类。每一类又包括了各种不同用途的航天器。卫星处在轨道上，对地球来说，它站得高，看得远(视场大)，用它来观察地球是非常有利的。此外，由于卫星在地球大气层以外不受大气的各种干扰和影响，所以用它来进行天文观测也比地面天文观测站更加有利。属于这种功能的卫星有下列几种典型的用途。 在各类应用卫星中侦察卫星发射得最早(1959年发射)，发射的数量也最多。侦察卫星有照相侦察和电子侦察卫星两种。 资源卫星是在侦察卫星和气象卫星的基础上发展而来的。利用星上装载的多光谱遥感器获取地面目标辐射和反射的多种波段的电磁波，然后把它传送到地面，再经过处理，变成关于地球资源的有用资料。它们包括地面的和地下的，陆地的和海洋的等等。海洋卫星的任务是海洋环境预报，包括远洋船舶的最佳航线选择，海洋渔群分析，近海与沿岸海洋资源调查，沿岸与近海海洋环境监测和监视，灾害性海况预报和预警，海洋环境保护和执法管理，海洋科学研究，以及海洋浮标、台站、船舶数据传输，海上军事活动等。• 当然，作为观测站的卫星远不止以上几种，预警卫星、核爆炸探测卫星、天文预测卫星(如美国的“哈勃”太空望远镜)等均属于这一类。虽然它们的功能各有侧重，但基本观测原理都是相似的。2．中继站 利用卫星进行通信和平常的地面通信相比较，具有下列优点： ①通信容量大； ②覆盖面积广； ③通信距离远； ④可靠性高； ⑤灵活性好； ⑥成本低。广播卫星是一种主要用于电视广播的通信卫星。这种广播卫星不需要经过任何中转就可向地面转播或发射电视广播节目，供公众团体或者个人直接接收，因此又称为直播卫星。目前普通的家庭电视机配一架直径不到1m的天线就可以直接接收直播卫星的电视广播节目。跟踪和数据中继卫星是通信卫星技术的一个重大发展。它是利用卫星来跟踪与测量另一颗卫星的位置，其基本思想是把地球上的测控站搬到地球同步轨道上，形成星地测控系统网。 3．基准站 这种卫星是轨道上的测量基准点，所以要求它测轨非常准确。属于这种功能的卫星有：4．轨道武器 这是一种积极进攻的航天器，具有空间防御和空间攻击的职能。它主要包括：不同类型的航天器，其系统的结构、外型和功能干差万别，但是它们的基本系统组成都是一致的。典型航天器都是由不同功能的若干分系统组成的，其基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。 1．有效载荷 用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。有效载荷种类很多，随着飞行任务即航天器功能的不同而异。例如，科学卫星上的粒子探测器，天文观测卫星上的天文望远镜，侦察卫星上的可见光相机、CCD相机、红外探测器、无线电侦察接收机，气象卫星上的可见光和红外扫描辐射仪，地球资源卫星上的电视摄像机、CCD摄像机、主题测绘仪、合成孔径雷达，通信卫星上的转发器和通信天线，生物科学卫星上的种子和培养基等，均属有效载荷。• 单一用途的卫星装有一种类型的有效载荷，而多用途的卫星可以装有几种类型的有效载荷。• 2．保障系统• 用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止，星上所有分系统的正常工作。各种类型航天器的保障系统一般包括下列分系统：(1)结构系统：用于支承和固定航天器上各种仪器设备，使它们构成一个整体，以承受地面运输、运载器发射和空间运行时的各种力学环境(振动、过载、冲击、噪声)以及空间运行环境。对航天器结构的基本要求是重量轻、可靠性高、成本低等，因此航天器的结构大多采用铝、镁、钛等轻合金和碳纤维复合材料等制造。通常用结构质量比，即结构重量占航天器总重量的比例来衡量航天器结构设计和制造水平。 (3)电源系统：用来为航天器所有仪器设备提供所需的电能。现代航天器大多采用太阳电池和蓄电池联合供电系统。 (4)姿态控制系统：用来保持或改变航天器的运行姿态。常用的姿态控制方式有重力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。 (5)轨道控制系统：用来保持或改变航天器的运行轨道。轨道控制往往与姿态控制配合，它们构成航天器控制系统。(6)测控系统：包括遥测、遥控和跟踪三部分。遥测部分主要由传感器、调制器和发射机组成，用于测量并向地面发送航天器的各种仪器设备的工程参数(212作电压、电流、温度等)和其他参数(环境参数和姿态参数等)。遥控部分一般由接收机和译码器组成，用于接收地面测控站发来的遥控指令，传送给有关系统执行。跟踪部分主要是信标机和应答机，它们不断发出信号，以便地球测控站跟踪航天器并测量其轨道位置和速度。除了以上基本系统组成外，航天器根据其不同的飞行任务，往往还需要有一些不同功能的专用系统。例如，返回式卫星有回收系统，载人飞船有乘员系统、环境控制与生命保障系统、交会与对接系统，航天飞机有着陆系统等。一个刚体航天器的运动可以由它的位置、速度、姿态和姿态运动来描述。其中位置和速度描述航天器的质心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态运动描述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运动学的观点来说，一个航天器的运动具有6个自由度，其中3个位置自由度表示航天器的轨道运动，另外3个绕质心的转动自由度表示航天器的姿态运动。航天器的控制可以分为两大类，即轨道控制和姿态控制。 1．轨道控制 轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度，有时也称为空间导航，简称导航；轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标，对质心施以控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为制导。轨道控制按应用方式可分为四类。 (1)轨道机动： 指使航天器从一个自由飞行段轨道转移到另一个自由飞行段轨道的控制。例如，地球静止卫星发射过程中为进入地球静止轨道，在其转移轨道的远地点就须进行一次轨道机动。(3)轨道交会：指航天器能与另一个航天器在同一时间以相同速度达到空间同一位置而实施的控制过程。 (4)再人返回控制：指使航天器脱离原来的轨道，返回进入大气层的控制。2．姿态控制 姿态控制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。 姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。这个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣的某个基准，例如地球。 姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向(可称为参考方向)上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指使姿态保持在指定方向，而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。姿态控制通常包括以下几个具体概念。 (1)定向：指航天器的本体或附件(如太阳能电池阵、观测设备、天线等)以单轴或三轴按一定精度保持在给定的参考方向上。此参考方向可以是惯性的，如天文观测；也可以是转动的，如对地观测。由于定向需要克服各种空间干扰以保持在参考方向上，因此需要通过控制加以保持。 (2)再定向：指航天器本体从对一个参考方向的定向改变到对另一个新参考方向的定向。再定向过程是通过连续的姿态机动控制来实现的。 (3)捕获：又称为初始对准，是指航天器由未知不确定姿态向已知定向姿态的机动控制过程。如航天器人轨时，星箭分离，航天器从旋转翻滚等不确定姿态进入对地对日定向姿态；又如航天器运行过程中因故障失去姿态后的重新定姿等。为了使控制系统设计更为合理，捕获一般分粗对准和精对准两个阶段进行。 (4)粗对准：指初步对准，通常须用较大的控制力矩以缩短机动的时间，但不要求很高的定向精度。 (5)精对准：指粗对准或再定向后由于精度不够而进行的修正机动，以保证定向的精度要求。精对准一般用较小的控制力矩。(6)跟踪：指航天器本体或附件保持对活动目标的定向。 (7)搜索：指航天器对活动目标的捕获。 总之，姿态控制是获取并保持航天器在空间定向的过程。例如，卫星对地进行通信或观测，天线或遥感器要指向地面目标；卫星进行轨道控制时，发动机要对准所要求的推力方向；卫星再人大气层时，要求制动防热面对准迎面气流。这些都需要使星体建立和保持一定的姿态。姿态稳定是保持已有姿态的控制，航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。 (1)自旋稳定：卫星等航天器绕其一轴(自旋轴)旋转，依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋稳定常辅以主动姿态控制，来修正自旋轴指向误差。 (2)三轴稳定：依靠主动姿态控制或利用环境力矩，保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。 3．姿态控制与轨道控制的关系 航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制，航天器姿态必须符合要求。也就是说，当需要对航天器进行轨道控制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求，而对航天器的姿态却有要求。航天器控制按控制力和力矩的来源可以分为两大类。 (1)被动控制：其控制力或力矩由空间环境和航天器动力学特性提供，不需要消耗星上能源。 4．主动控制系统的组成 航天器主动控制系统，无论是姿态控制系统还是轨道控制系统，都有两种组成方式。(1)星上自主控制：指不依赖于地面干预，完全由星载仪器实现的控制，其系统结构见图1．4 (2)地面控制：或称星一地大回路控制，指依赖于地面干预，由星载仪器和地面设备联合实现的控制，其结构见图1．5。