| 词条 | 航天器 |
| 释义 | § 基本介绍 航天器 航天器，又称空间飞行器、太空载具等，是指在地球大气层以外的宇宙空间中，基本按照天体力学的规律运动的各种飞行器。载人航天器家族中有三个成员：载人飞船、空间站和航天飞机。 航天器基本上是无动力的，依靠运载火箭，通常为第二级火箭提供的初速来运动。运载火箭在燃料耗尽后就自动分离，向地球下落；航天器或者进入绕地球轨道，或者在给以动量情况下，继续飞向太空目的地。 航天器本身也可能装有小型液体火箭发动机供机动飞行之用。在美国的“阿波罗”月球探测计划中，登月舱就装有火箭发动机，以便从月球起飞，飞回轨道上的“阿波罗”号飞船。飞船本身也得有足够的火箭动力使其脱离月球轨道返回地球。 航天器的设计异常复杂，尤其是载人航天器。它包含几百万个部件，要求高度微型化但可靠率要达到99. 9999％以上。如果汽车的零件达到同样的可靠度的话，那么在首次故障之前，就可运行100年。[1] 航天器还需要电源来带动所携带的各种设备。不载人的航天器大多采用太阳电池板和相连的蓄电池。在载人航天器上，包括在“太空实验室”上通常用燃料电池，有时则为燃料电池与太阳电池的组合。[2] § 分类 航天器根据是否载人分为无人航天器和载人航天器。 无人航天器根据是否环绕地球运行则被分为人造地球卫星和空间探测器。 按照航天器的用途和结构形式，还可以将它们进一步进行细分，无人航天器和载人航天器。[1] § 组成结构 航天器结构剖析 航天器在宇宙空间运动，是由于天体引力场的作用，它的速度是由发射的运载器提供的，根据不同的任务，可选择和设计不同的轨道。大多数航天器不带飞行动力装置，它一般由专用系统（有效载荷，不同用途的航天器装有不同的专用舱）和保障系统（包括结构系统、电源系统、姿态控制系统、无线电测控系统、生命保障系统、应急救生系统、返回着陆系统等）组成。 专用系统 不同用途航天器的主要区别在于装有不同的专用系统。专用系统种类很多，随航天器执行的任务不同而异。例如，天文卫星的天文望远镜、光谱仪和粒子探测器，侦察卫星的可见光照相机、电视摄像机或无线电侦察接收机，通信卫星的转发器和通信天线，导航卫星的双频发射机、高精度振荡器或原子钟等。单一用途航天器装有一种类型的专用系统，多用途航天器装有几种类型的专用系统。 保障系统 各种类型航天器的保障系统往往是相同或类似的，一般包括以下一些系统： 结构系统：用于支承和固定航天器上的各种仪器设备，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和空间环境。结构形式主要有整体结构、密封舱结构、公用舱结构、载荷舱结构和展开结构等。航天器的结构大多采用铝、镁、钛等轻合金和增强纤维复合材料。 热控制系统：又称温度控制系统，用来保障各种仪器设备在复杂的环境中处于允许的温度范围内。航天器热控制的措施主要有表面处理（抛光、镀金或喷刷涂料），包覆多层隔热材料，使用热控百叶窗、热管和电加热器等。 电源系统：用来为航天器所有仪器设备提供所需的电能。人造地球卫星大多采用蓄电池电源和太阳电池阵电源系统，空间探测器采用太阳电池阵电源系统或空间核电源，载人航天器大多采用氢氧燃料电池或太阳电池阵电源系统。 姿态控制系统：用来保持或改变航天器的运行姿态。航天器一般都需要姿态控制，例如使侦察卫星的可见光照相机镜头对准地面，使通信卫星的天线指向地球上某一区域等。常用的姿态控制方式有三轴姿态控制、自旋稳定、重力梯度稳定和磁力矩控制等（见航天器姿态控制）。 轨道控制系统：用来保持或改变航天器的运行轨道。航天器轨道控制以轨道机动发动机提供动力，由程序控制装置控制或地面航天测控站遥控。轨道控制往往与姿态控制配合，它们构成航天器控制系统。小型航天器 无线电测控系统：包括无线电跟踪、遥测和遥控 3个部分。跟踪部分主要有信标机和应答机。它们不断发出信号，以便地面测控站跟踪航天器并测量其轨道。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（工作电压、温度等）和其他参数（探测仪器测量到的环境数据、敏感器测量到的航天器姿态数据等）。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。 回着陆系统：用于保障返回型航天器安全、准确地返回地面。它一般由制动火箭、降落伞、着陆装置、标位装置和控制装置等组成。在月球或其他行星上着陆的航天器配有着陆系统，其功用和组成与返回型航天器着陆系统类似。 生命保障系统：载人航天器生命保障系统用于维持航天员正常生活所必需的设备和条件，一般包括温、湿度调节、供水供氧、空气净化和成分检测、废物排除和封存、食品保管和制作、水的再生等设备。 应急救生系统：当航天员在任一飞行阶段发生意外时，用以保证航天员安全返回地面。它一般包括救生塔、弹射座椅、分离座舱等救生设备。它们都有独立的控制、生命保障、防热和返回着陆等系统。 计算机系统：用于存贮各种程序、进行信息处理和协调管理航天器各系统工作。例如，对地面遥控指令进行存贮、译码和分配，对遥测数据作预处理和数据压缩，对航天器姿态和轨道测量参数进行坐标转换、轨道参数计算和数字滤波等。航天器计算机有单机、双机和多机系统。 § 运行原理 物理学原理 航天器在天体引力场作用下，基本上按天体力学的规律在空间运动。它的运动方式主要有两种：环绕地球运行和飞离地球在行星际空间航行。环绕地球运行轨道是以地球为焦点之一的椭圆轨道或以地心为圆心的圆轨道。行星际空间航行轨道大多是以太阳为焦点之一的椭圆轨道的一部分。 运动方式 天地往返穿梭器—航天飞机 航天器大多不携带飞行动力装置，在极高真空的宇宙空间靠惯性自由飞行。航天器的运动速度为八到十几公里每秒，这个速度是由运载器提供的。航天器的轨道是事先按照航天任务来选择和设计的。有些航天器带有动力装置用以变轨或轨道保持。 运行安全 航天器由运载器发射送入宇宙空间，长期处在高真空、强辐射、失重的环境中，有的还要返回地球或在其他天体上着陆，经历各种复杂环境。航天器工作环境比航空器环境条件恶劣得多，也比火箭和导弹工作环境复杂。发射航天器需要比自身重几十倍到上百倍的运载器，航天器入轨后,需要正常工作几个月、几年甚至十几年。因此，重量轻、体积小、高可靠、长寿命和承受复杂环境条件的能力是航天器材料、器件和设备的基本要求，也是航天器设计的基本原则之一。对于载人航天器，可靠性要求更为突出。 控制技术 绝大多数航天器为无人飞行器，各系统的工作要依靠地面遥控或自动控制。航天员对载人航天器各系统的工作能够参与监视和控制，但是仍然要依赖于地面指挥和控制。航天器控制主要是借助地面和航天器上的无线电测控系统配合完成的。航天器工作的安排、监测和控制通常由航天测控和数据采集网或用户台站(网)的中心站的工作人员实施。随着航天器计算机系统功能的增强，航天器自动控制能力在不断提高。 系统技术 航天器的电源不仅要求寿命长，比能量大，而且还要功率大，从几十瓦到几千瓦。它使用的太阳电池阵电源系统、燃料电池和核电源系统都比较复杂，涉及到半导体和核能等项技术。航天器轨道控制和姿态控制系统不仅采用了很多特有的敏感器、推力器和控制执行机构以及数字计算装置等，而且应用了现代控制论的新方法，形成为多变量的反馈控制系统。航天器结构、热控制、无线电测控、返回着陆、生命保障等系统以及多种专用系统都采用了许多特殊材料、器件和设备，涉及到众多的科学技术领域。航天器的正常工作不仅决定于航天器上各系统的协调配合，而且还与整个航天系统各部分的协调配合有密切关系。航天器以及更复杂的航天系统的研制和管理，都须依靠系统工程的理论和方法。 § 分类 航天器分为无人航天器和载人航天器。无人航天器按是否环绕地球运行分为人造地球卫星和空间探测器。通常,航天器分为人造地球卫星、空间探测器和载人航天器，它们按用途和飞行方式还可进一步分类。 人造地球卫星 俄罗斯联盟号飞船 简称人造卫星，是数量最多的航天器,约占航天器总数的90％以上。 它按用途分为科学卫星、应用卫星和技术试验卫星。科学卫星用于科学探测和研究，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星等。应用卫星是直接为国民经济和军事服务的人造卫星。应用卫星按用途分为通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、截击卫星和多用途卫星等。应用卫星按是否专门用于军事又可分为军用卫星和民用卫星，有许多应用卫星是军民兼用的。 空间探测器 又称深空探测器，按探测目标分为月球探测器、行星和行星际探测器。各种行星和行星际探测器分别用于探测金星、火星、水星、木星、土星和行星际空间。美国1972年 3月发射的“先驱者”10号探测器，预计在1986年10月越过冥王星的平均轨道，将成为第一个飞出太阳系的航天器。 载人航天器 按飞行和工作方式分为载人飞船、航天站和航天飞机。载人飞船包括卫星式载人飞船和登月载人飞船。航天飞机既是航天器又是可重复使用的航天运载器。 § 发展历史 1958年6月5日，苏联科学院院士、火箭飞船总设计师科罗廖夫在为政府起草的《开发宇宙空间的远景工作》中提出1961～1965年完成研制能乘2～3人的载人飞船，1962年开始建造空间站。 1958年10月7日，美国航宇局(NASA)正式批准“水星”号载人飞船工程。这是航宇局1958年10月1日成立后作出的第一个重大决策。 1959年9月9日，美国用“宇宙神”D运载火箭首次成功地发射了“水星”飞船模型，进行亚轨道飞行。此后一直到1961年4月25日，美国共进行了7次无人飞船试验，其中失败3次，成功4次，为美国成功实施载人航天飞行奠定了坚实基础。 俄罗斯“暴风雪”号航天飞机 1960年1月，苏联成功发射了两艘无人的卫星式飞船，进行亚轨道飞行。此后一直到1961年3月25日，苏联共进行了7次无人飞船试验，其中失败4次，成功3次，最后两次连续成功。苏联决策机关认为已完全具备了载人飞船的发射能力。 1961年3月23日，苏联准备上天的航天员邦达连科在为期10天的地面训练的最后一天，在一个高浓度氧气舱里，用酒精棉球擦完身上固定过传感器的部位后，随手将它仍在电热器上，立即引起大火，他被严重烧伤，10小时后，抢救无效死亡。 1961年4月12日，苏联发射世界第一艘载人飞船“东方”1号。尤里·加加林少校乘“东方”1号飞船用了108分钟绕地球运行一圈后，在萨拉托夫附近安全返回。加加林成为世界上第一位遨游太空的航天员，使苏联在与美国开展的载人航天竞赛中赢得了世界第一。1968年3月27日，加加林驾驶米格15歼击机训练时，因飞机事故遇难身亡。 1961年5月5日，美国第一位进行亚轨道飞行的航天员艾伦·B·谢泼德驾驶美国“水星”MR3飞船进行首次载人亚轨道飞行，美国因此成为继苏联之后世界上第二个具有载人航天能力的国家。 1961年5月25日，美国总统肯尼迪在国会宣布：在60年代结束之前，美国要把人送上月球，并安全返回地面。从此，美国正式开始实施举世闻名的“阿波罗”载人登月工程计划。这是在与苏联之间展开的谁第一个把人送上天的竞赛中失利后，美国发起的又一个竞赛项目。 1962年2月20日，美国发射载人飞船“水星”6号，航天员欧约翰·H·格伦中校驾驶“水星”6号飞船绕地球飞行3圈，历时4小时55分23秒，在大西洋海面安全返回。格伦因此成为美国第一个进入地球轨道的人。 1962年8月11日，苏联发射载有尼古拉耶夫少校的“东方”3号飞船上天。8月12日，苏联发射载有波波维奇中校的“东方”4号飞船上天。“东方”4号与“东方”3号首次在太空实现载人飞船的交会飞行，最近相距5公里，第一次从太空传回电视。 1963年6月16日，世界上第一位进入太空的女航天员捷列什科娃中尉驾驶苏联“东方”6号飞船进入太空，飞船绕地球飞行48圈，历时70小时50分，19日返回。 1964年10月12日，苏联成功发射载3人的第二代载人飞船“上升”1号。航天员科马罗夫、耶戈洛夫和费捷斯托夫驾驶飞船绕地球飞行16圈，历时24小时17分，返回于库斯塔奈地区。这是苏联、也是世界航天史上第一次载3人飞行。 哥伦比亚号航天飞机 1965年3月18日，苏联发射载有别列亚耶夫、列昂诺夫的“上升”2号飞船。飞行中，列昂诺夫进行了世界航天史上第一次太空行走，他在离飞船5米处活动了12分钟，完成了目视观测、拆卸工作及其他实验。 1965年3月23日，美国成功发射第二代载人飞船“双子星座”3号。飞船乘载着美国航天员格里索姆中校和约翰·杨少校，绕地球飞行5圈，历时4小时53分钟。这是美国首次载2人飞行。 1965年6月3日，美国发射载有航天员麦克迪维特上尉和怀特上尉的“双子星座”4号飞船，绕地球飞行62圈。怀特到舱外行走21分钟，用喷气装置使自己在太空中机动飞行。这是美国第一次太空行走。 1965年12月15日，美国发射“双子星座”6号飞船，飞船载有希拉中校和斯坦福尔德上尉。飞船绕地球飞行16圈，历时25小时51分钟。此次飞行是与12月4日发射的“双子星座”7号交会，并保持近距离编队飞行，最近时约0.3米。这是美国载人飞船第一次空间交会飞行。 1966年3月16日，美国发射载有航天员阿姆斯特朗和斯科特的“双子星座”8号，绕地球飞行6.5圈，历时10小时41分。飞行中首次实现载人飞船与一个名叫“阿金纳”的对接舱体对接。这是世界航天史上第一次空间对接。 1967年1月27日，美国“阿波罗”4A飞船在发射台上进行登月飞船的地面试验。飞船内坐着曾参加过“水星”号、“双子星座”飞船飞行的格里索姆上校、美国第一个完成舱外活动的怀特中校和第一次准备参加太空飞行的查菲少校。突然，充满纯氧的座舱起火爆炸，3名航天员当即烧死。 1967年4月23日，苏联用“联盟”号运载火箭发射第三代飞船“联盟”1号。4月24日飞船返回时，因降落伞故障，飞船坠毁于乌拉尔奥伦波克附近，航天员科马罗夫不幸遇难。 1968年4月14日，苏联发射宇宙212号无人飞船。飞船在轨运行中与后来发射的宇宙213号无人飞船自动对接。这是苏联完成的第一次空间对接。 1968年10月11日，美国发射“阿波罗”7号飞船。航天员希拉、艾西尔和坎宁哈姆绕地球飞行163圈，历时260小时9分钟，22日返回。这是“阿波罗”飞船的第一次载人地球轨道飞行。 1968年12月21日，美国发射载有波尔曼、洛弗尔和安德斯的“阿波罗”8号飞船。飞船进入距月面112公里的月球轨道上飞行了10圈，时间20小时6分钟，并向地球发回电视。27日返回。这是世界上第一艘绕月飞行的载人飞船。 1969年7月16日，美国发射“阿波罗”11号载人飞船，第一次把人送上月球。 国际空间站 1970年4月11日，美国发射载有航天员洛弗尔、海斯和斯威加特的“阿波罗”13号飞船进行第3次登月飞行。 1970年6月1日，苏联发射载有航天员尼古拉耶夫和谢瓦斯基扬诺夫的“联盟”9号飞船。飞船绕地球飞行268圈，历时424小时59分，创造了载人飞行史上的新记录。 1971年4月19日，苏联用“质子”号火箭发射世界上第一个载人空间站“礼炮”1号。 1971年6月6日，苏联发射载有航天员多勃罗沃尔斯基、帕查耶夫和沃尔科夫和“联盟”11号飞船。飞船成功地实现了和“礼炮”1号空间站的对接、在轨运行24天后，在返回途中，返回舱空气泄露，返回地面时，人们发现未穿航天服的3名航天员全部遇难。 1971年12月7日，美国发射载有塞尔南、埃文斯和施密特的“阿波罗”17号飞船。11日到达月球，两名航天员在月面逗留75小时，在月球轨道上释放了一颗卫星。飞船19日返回。这是人类迄今最后一次载人登月飞行，也是“阿波罗”飞船第7次登月飞行。 1973年5月14日，美国用“土星”V火箭发射名为“天空实验室”的空间站。后与多艘“阿波罗”飞船对接,先后有3批9名航天员到其上工作。原预计“天空实验室”能运行到1982年，但终因空间站故障严重，无法正常使用，其运行轨道急剧下降，于1979年7月12日坠落于南印度洋澳大利亚西南水域。这是美国发射的第一个载人空间站。 1975年4月5日，苏联发射载有拉扎列夫和马卡罗夫的联盟18A飞船，准备与礼炮4号对接。火箭第3级点火不久，正值火箭上升到144公里的高空时，因制导系统发生故障，飞船在空中翻滚，并偏离预定轨道。地面控制中心不得不发出应急救生指令，使火箭紧急关机，返回舱与飞船分离，航天员按应急方案返回，在西伯利亚西部山区安全着陆。飞行只进行了22分钟。这是载人航天以来，第一次因火箭飞行不正常而成功地采取的应急救生措施。 1975年7月15日，苏、美发射飞船进行联合对接飞行。首先发射的是载有苏联航天员列昂诺夫和库巴索夫的“联盟”19号飞船。发射后7.5小时，美国“阿波罗”18号飞船载着美国航天员斯坦福尔德、斯莱顿和布兰德从肯尼迪航天中心发射成功。7月17日，“阿波罗”18号飞船和“联盟”19号飞船成功地对接。飞船对接状态保持了两天，美苏航天员实现了飞船间的互访。这是冷战期间美苏两个竞争对手难得的“太空握手”。 1981年4月12日，美国发射了世界上第一架航天飞机“哥伦比亚”号。此后又陆续建造了“挑战者”号、“亚特兰蒂斯”号、“发现”号和“奋进”号航天飞机。1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机在发射升空仅73秒后即爆炸，机上7名航天员全部遇难；2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机在返航途中解体，机上7名航天员再次遇难。尽管如此，美国航天飞机投入运营22年来，已成功飞行111次，在太空部署过卫星、维修过“哈勃”、完成了无数科学试验，是目前正在建造中的国际空间站的主要运送工具。 1984年7月17日，苏联发射“联盟”T12号飞船升空。船上载有扎尼拜科夫、沃尔克和女航天员萨维卡娅，与“礼炮”7号空间站-“联盟”T10号飞船联合体对接。25日，萨维茨卡娅和扎尼拜科夫一起进行了3小时35分钟的舱外活动。萨维茨卡娅成为世界上第一位在太空行走的女性。 中国“神舟”一号飞船 1986年2月20日，苏联发射了第三代长期载人空间站——“和平”号空间站的核心舱。此后历时10年，直到1996年4月26日，苏联(俄罗斯)才建成由核心舱、“量子”1号舱、“量子”2号舱、“晶体”舱、“光谱”舱和“自然”舱组成的完整的“和平”号空间站。 1995年6月27日，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机载着5名美国航天员和2名俄罗斯航天员升空，首次实现与俄罗斯“和平”号空间站对接飞行。此后一直到1998年，美国航天飞机与俄罗斯“和平”号空间站进行了8次对接飞行，所取得的成功经验降低了目前正在组装的国际空间站装配和运行中的技术风险。 1996年9月26日，在俄罗斯“和平”号空间站上工作的美国女航天员露西德乘“亚特兰蒂斯”号航天飞机返回地面。露西德在太空生活了188天，打破了俄罗斯航天员康达科娃创造的女性在太空飞行的最高纪录。 1998年11月20日，俄罗斯用“质子”K火箭将国际空间站的第一个部件——“曙光”号多功能舱送入太空，建造国际空间站的宏伟而艰巨的任务从此拉开了帷幕。 2001年4月28日，世界上首位太空游客、美国富翁蒂托搭乘“联盟”TM32号飞船从哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场出发，到国际空间站上旅游观光8天，5月6日返回地面。 2002年4月25日～5月5日，世界上第二位太空游客、南非亿万富翁马克·沙特沃斯也在太空度过了10天的时光，其中8天生活和工作在国际空间站上。 § 作用意义 中国“神舟”五号飞船 航天器的出现使人类的活动范围从地球大气层扩大到广阔无垠的宇宙空间，引起了人类认识自然和改造自然能力的飞跃，对社会经济和社会生活产生了重大影响。 航天器在地球大气层以外运行，摆脱了大气层阻碍，可以接收到来自宇宙天体的全部电磁辐射信息，开辟了全波段天文观测；航天器从近地空间飞行到行星际空间飞行，实现了对空间环境的直接探测以及对月球和太阳系大行星的逼近观测和直接取样观测；环绕地球运行的航天器从几百公里到数万公里的距离观测地球，迅速而大量地收集有关地球大气、海洋和陆地的各种各样的电磁辐射信息，直接服务于气象观测、军事侦察和资源考察等方面；人造地球卫星作为空间无线电中继站，实现了全球卫星通信和广播，而作为空间基准点，可以进行全球卫星导航和大地测量；利用空间高真空、强辐射和失重等特殊环境，可以在航天器上进行各种重要的科学实验研究。 随着航天飞机和其他新型空间运输系统的使用，空间组装和检修技术的成熟，人类将在空间建造各种大型的空间系统，例如，直径上千米的大型光学系统、长达几公里的巨型天线阵和永久性航天站等。未来航天器的发展和应用主要集中在三个方面：进一步提高从空间获取信息和传输信息的能力，扩大应用范围；加速试验在空间环境条件下生产新材料和新产品；探索在空间利用太阳辐射能，提供新能源。从空间获取信息、材料和能源是航天器发展的长远目标。 |
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