空间飞行器设计-第10讲
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第一章—绪论1.各国独立发射首颗卫星时间。
表格 1 各国独立发射首颗卫星时间表2.航天器的分类?答:航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器两大类。
其中,无人航天人按是否环绕地球运行又分为人造地球卫星和空间探测器两大类;载人航天器可以分为载人飞船、空间站和航天飞机。
3.什么是航天器设计?答:航天器设计就是要解决每一个环节的具体设计,其中主要的几个关键内容为:航天任务分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计。
4.画图说明航天器系统设计的层次关系并简述各组成部分的作用。
答:图 1 航天器系统设计的层次关系图(1).有效载荷分系统:航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分;(2).航天器结构平台:整个航天器的结构体(3).服务和支持系统:有效载荷正常工作的必要条件。
①结构分系统:提供其他系统的安装空间;满足各设备安装方位,精度要求;确保设备安全;满足刚度,强度,热防护要求,确保完整性;提供其他特定功能②电源分系统:向航天器各系统供电③测控与通信系统:对航天器进行跟踪,测轨,定位,遥控,通信;④热控系统:对内外能量管理和控制,实现航天器上废热朝外部空间的排散,满足在飞行各阶段,星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件;⑤姿态与轨道控制系统:姿态控制--姿态稳定,姿态机动;轨道控制--用于保持或改变航天器的运行轨道,包括轨道确定(导航)和轨道控制(制导)两方面,使航天器遵循正确的航线飞行。
、⑥推进系统:向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火;低轨道转移时,低轨到高轨的提升与离轨再入控制;星际航行向第二宇宙速度的加速过程;在轨运行⑦数据管理系统:将航天器遥控管理等综合在微机系统中⑧环境控制与生命保障:维持密闭舱内大气环境,保证航天员生命安全5.航天器的特点及其设计的特点?答:航天器的特点有5个,(1).系统整体性;(2).系统层次性;(3).航天器经受的环境条件:运载器环境、外层空间环境、返回环境;(4).航天器的高度自动化性质;(5).航天器长寿面高可靠性。
空间飞行器的设计与控制随着人类社会的不断发展,科技的进步也不断推动着人类的前进。
在太空探索领域,空间飞行器无疑是最重要的研究方向之一。
空间飞行器设计与控制是实现太空探索的关键,是实现人类星际梦想的前提。
本文将会对空间飞行器设计与控制进行探讨。
一、空间飞行器的设计空间飞行器的设计需要考虑众多因素,如载人或无人、去往的目的地、喷气式飞机或者火箭等等。
不同的设计方案有着不同的优缺点,因此根据情况的不同需要选择合适的设计方案。
首先,设计方案必须考虑载人与无人的区别。
载人空间飞行器必须保证宇航员生命安全和稳定的运行,而无人空间飞行器则更加注重运输货物和实现科学实验等任务。
因此,两种不同类型的空间飞行器所使用的设计方案也不尽相同。
其次,设计方案还需要考虑未来的目的地。
比如,如果是长时间驻留在空间站,需要考虑设施、生存环境和设备维护等因素。
如果是前往月球或火星等星球,需要考虑重量、燃料耗费和飞行速度等因素。
因此,要实现不同目的的空间飞行,必须根据目标的不同制定不同的设计方案。
最后,设计方案还必须根据飞行原理的不同来进行区分。
喷气式飞机和火箭在原理上有很大的不同。
喷气式飞机利用空气流动的原理,而火箭则是利用反作用力原理,因此两种不同的空间飞行器所使用的设计方案也必须不尽相同。
二、空间飞行器的控制空间飞行器的控制是指对飞行器运行的控制。
主要包括引擎控制、姿态控制、温度控制和氧气合成等。
引擎控制是指对飞行器推进器的控制,以确保飞行器的速度和方向的正确性。
一般来说,引擎的推力必须和质量、阻力以及所需的动能相符合。
因此,引擎的功率控制必须精确到尽可能的微小步长。
姿态控制是指对飞行器偏航和俯仰角度的控制,以确保航行轨迹的正确性。
空间飞行器在不同的轨道上运行,如果姿态控制不到位,则极易偏离原本规划的轨道。
因此,姿态控制系统的完善是空间飞行器安全运行的重要基础。
温度控制是指对飞行器温度的控制,以确保飞行器的正常运行。
太空环境恶劣,温度范围极大,因此在设计过程中必须考虑温度的控制。
航空航天工程中的飞行器设计随着科技的不断进步,航空航天工程在现代社会发展中扮演着至关重要的角色。
而在航空航天工程中,飞行器设计是其中一个至关重要的环节。
本文将就航空航天工程中的飞行器设计展开探讨,从设计原则、设计过程以及挑战与发展等方面进行分析。
一、设计原则飞行器设计遵循一系列的原则,确保其能够在各种环境下高效、安全地运行。
首先,结构合理性是设计的重要原则之一。
飞行器设计需要考虑材料的重量、强度和刚性等因素,以保证结构的稳定性和可靠性。
此外,对于空气动力学特性的准确预测与模拟也是设计的重要组成部分。
二、设计过程飞行器设计的过程通常包括概念设计、详细设计和验证测试三个阶段。
首先是概念设计阶段,在该阶段中,设计师根据任务需求和工作条件确定飞行器的基本形状和布局。
在此基础上,进行详细设计,涉及到各个细节方面的考虑,包括材料选择、结构设计、动力系统设计等。
最后一个阶段是验证测试,通过仿真模拟和实际测试验证设计的正确性和可行性。
三、挑战与发展在飞行器设计领域,仍面临着许多挑战。
首先是对于空中动力学特性模拟的需求不断增加,需要更加精确的数值计算和模型预测。
此外,随着人们对于环保和能源效益的重视,设计师们也需要致力于研发更加环保、高效的飞行器设计方案。
同时,随着太空探索的不断深入,飞行器设计也面临更加复杂的问题,如航天器的低重量设计和抗辐射能力等。
总结起来,航空航天工程中的飞行器设计扮演着至关重要的角色。
设计原则、设计过程以及挑战与发展等方面都需要设计师们不断努力和创新。
未来随着科技的不断发展,相信飞行器设计将迎来更多的突破和进步,为人类的探索与发展做出更大的贡献。
飞行器设计1. 引言飞行器是一种能够在空中飞行的装置,广泛应用于民航、航空军事、航天等领域。
本文将介绍飞行器设计的相关概念、步骤和要点。
2. 设计概念在进行飞行器设计之前,需要明确设计的概念和目标。
飞行器设计的概念包括飞行器的类型(如固定翼飞机、直升机、多旋翼飞行器等)、用途(如运输、侦察、战斗等)以及运行环境(如高空、海洋、恶劣天气条件等)。
明确这些概念将有助于设计过程的顺利进行。
3. 设计步骤3.1 需求分析在飞行器设计的初期阶段,需要进行需求分析。
这包括对飞行器的性能要求、功能要求、安全要求等进行全面的分析和明确。
同时,还需要考虑市场需求、用户需求以及技术限制等因素。
3.2 概念设计概念设计是飞行器设计的关键阶段,它需要将需求分析的结果转化为初始的设计方案。
这包括选择适当的飞行器结构、动力系统、操纵系统等,并进行初步的性能评估和优化。
3.3 详细设计在概念设计确定后,需要进一步进行详细设计。
这包括对各个子系统的设计和集成,确定材料、工艺、构造等。
同时,还需要进行各种性能计算、仿真和验证,以确保飞行器的设计满足需求。
3.4 制造和测试在详细设计完成后,需要进行制造和测试。
这包括制造零部件、组装飞行器,并进行各种地面和飞行试验。
通过测试,可以验证设计的正确性,并逐步提高飞行器的性能和可靠性。
3.5 优化改进在制造和测试过程中,可能会发现一些问题或改进的空间。
优化改进阶段就是对飞行器进行进一步改进和优化,以提高其性能和可靠性。
这包括材料改进、结构优化、系统调整等。
4. 设计要点在飞行器设计过程中,需要注意以下几个要点:•结构设计要牢固稳定,能够承受空气动力学和重力的负荷。
•动力系统设计要合理,能够提供足够的推力和能量供应,并具备可靠性和安全性。
•操纵系统设计要精确可靠,能够实现飞行器的准确操控。
•安全设计要符合相关规范和要求,考虑飞行器在意外情况下的应对措施。
•环保设计要考虑减少对环境的影响,降低燃油消耗和废弃物排放等。
1.1航天工程系统组成:发射场、运载器、航天器系统、地面应用系统、运载与航天器测控网1.2航天器设计:解决每一个环节的具体设计,关键内容:航天任务分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计1.3航天器系统设计的层次关系及各组成部分作用:有效载荷分系统:航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分;航天器结构平台:整个航天器的结构体服务和支持系统:有效载荷正常工作的必要条件。
①结构分系统:提供其他系统的安装空间;满足各设备安装方位,精度要求;确保设备安全;满足刚度,强度,热防护要求,确保完整性;提供其他特定功能②电源分系统:向航天器各系统供电③测控与通信系统:对航天器进行跟踪,测轨,定位,遥控,通信;④热控系统:对内外能量管理和控制,实现航天器上废热朝外部空间的排散,满足在飞行各阶段,星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件;⑤姿态与轨道控制系统:姿态控制:姿态稳定,姿态机动;轨道控制:用于保持或改变航天器的运行轨道,包括轨道确定(导航)和轨道控制(制导)两方面,使航天器遵循正确的航线飞行⑥推进系统:向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火;低轨道转移时,低轨到高轨的提升与离轨再入控制;星际航行向第二宇宙速度的加速过程;在轨运行⑦数据管理系统:将航天器遥控管理等综合在微机系统中⑧环境控制与生命保障:维持密闭舱内大气环境,保证航天员生命安全;1.4航天器设计的特点(1) 运载器有效载荷引发的设计特点:慎用质量和追求轻质量的特点追求小尺寸和巧安排的设计特点;(2) 适应外层空间环境引发的设计特点:创造必要的、可模拟真实环境进行航天器部件、设备、分系统和整体航天器检测、试验和验收的条件,使模拟真实环境的检测、试验和验收成为可能;(3) 特殊的一次使用性引发的设计特点:不存在维修、替换或补给,系统可靠性要求很高;(4) 单件生产引发的设计特点:每颗卫星都具有其特殊性2.1对航天活动存在较大影响的环境要素:太阳电磁辐射、地球中性大气、地球电离层、地球磁场以及空间带电粒子辐射、空间碎片及微流星等2.2航天器在近地轨道中运行受到的环境因素影响及这些因素所影响的分系统①地球引力分布的不均匀(轨道控制分系统)②重力梯度(姿态控制分系统)③高层大气密度(轨道控制分系统)④空间带电粒子辐射(电子元器件、功能材料、仪器设备以及航天员)⑤地球电离层(测控与通讯分系统)⑥太阳电磁辐射以及地球对其的反照(热控制分系统、姿态控制分系统) ⑦地磁场(姿态控制分系统)⑧空间碎片及微流星(结构分系统)2.3太阳辐射对近地轨道航天器的影响:1.对航天器温控系统的影响:太阳辐射是主要外热源2.对航天器姿控系统的影响:太阳辐射和地气辐射压是航天器姿态控制中所必须考虑的因素之一,引起大气密度的变化,使航天器所受阻力增加3.对航天器电源系统的影响:(光谱辐照度决定航天器太阳电池方阵功率的精确计算,影响控制回路的软、硬件设计,对航天器表面的剥蚀作用加剧,破坏太阳电池保护层、危害航天器能源系统)4.对航天器通信系统的影响(导致短波和中波无线电信号衰落,甚至完全中断,太阳射电爆发引起射电背景噪声的增强,在一定条件下也会对航天器通信系统造成干扰)5.对航天遥感器、探测器的影响(对绝缘材料、光学材料和高分子材料也存在损伤作用,从而对航天遥感器和探测器产生影响,对航天器上各种光学遥感系统形成污染)6.对人体和生物体的影响(对人体器官和眼睛有不同的损伤,诱发人体皮肤癌)2.4电离层对航天活动的影响:1、对航天器通信系统的影响(改变电波传播路径,出现电波时延、信号衰落,通信质量下降,引起电波聚焦或散焦,甚至造成电波信号丢失)2、对航天器定轨系统的影响(电波信号频率发生偏移)3、对航天器轨道和姿态的影响(阻力增大)4、航天器充电效应(表面充电和内部充电,充电电位达到一定值时,就会发生静电放电,对航天器电子系统产生影响)5、对航天器电源系统的影响(造成电源电流的无功泄露,降低了电源的供电效率)3.1轨道设计过程:确定轨道的类型;确定与轨道有关的任务要求;评价具体的轨道;单颗卫星或星座的选择;进行飞行任务轨道设计的权衡;运载工具,回收或报废轨道的选择;估计星座的发展和补充;建立△V的预算;编制有关轨道参数,选择准则和允许范围的文件3.2常用的轨道类型及应用范围:1.地球静止轨道及其星座:国际通信、区域和国内通信广播、海事通信、移动通信、区域导航、区域气象观测等卫星;2.太阳同步(回归)轨道及其星座:地球资源观测、全球气象观测、空间环境探测和科学技术试验、海洋监测等卫星;3.甚低轨道:返回式遥感卫星、载人飞船、航天飞机、空间试验室、空间站等;4.临界倾角大椭圆轨道(周期为12h)及其星座:高纬度通信、空间环境探测和科学技术试验卫星;5.高(约20000km)、中(约2000km)、低(1000km 左右)轨道实时全球覆盖星座:全球移动通信(含少量固定通信)、全球导航、全球环境监测等卫星网。
箭体结构是运载火箭的重要组成部分,其主-要功用是装置各分系统(如有效载荷、控制系统、-动力系统和测量系统等,并按要求其连接成结-构紧凑、外形理想的整体。
主要功用有:提供可-靠的工作环境;承受操作和飞行中的外力;维持-良好的气动外形;持火箭完整性。
-8.1箭体结构的组成和功用-有效载荷整流罩、推进剂贮箱!-输送系统元件、仪器舱、级间段、发动机架和-段等,有些大型火箭还有尾翼Saturn5-W-三-USARNY-:812:6转接锥-二、三子级级问段-有效载荷整流罩-仪器枪-二子级箱间段-一、二子级级间段-三子级液氢箱-三子级液氧箱-三子级动机-二子级氧化剂箱-二子级燃料箱-二子级气动机-级间杆系-一子级氧化剂箱-一子级后过菠段-一尾翼-图8一1典型运载箭外形及总体布局-3有效载荷整流罩-整流罩是有效载荷或末级火箭的包封部件-在大气层飞行段对其起保护作用。
一般为锥一柱、-锥一柱一锥硬壳式-推进器贮箱-为贮存推进剂的容器,是火箭的承力结构-占火箭体积的大部分。
-按形状分:圆柱、锥柱、截锥、球、环、扁豆形-按受力形式分:受力式、非受力(悬挂)式-按贮箱相互关系分:独立式、共底式。
-按结构特点分:硬壳式、半硬壳式和网格式8.2箭体的结构方案与结构型式-8.2.1推进剂贮箱结构-按受力形式分为:-承力式储箱-贮箱壁就是火箭的壳体,受-内和各种飞行载荷-非承力式储箱-贮箱壁是贮箱外壳,主要-受内压载荷早期火箭如V-2,采用非承力式贮箱-从20世纪50年代始,液体火箭广泛采用承力-载式贮箱。
这是因为火箭壳体上的主要载荷-轴压,可由贮箱内的增压压力全部或绝大-部分地抵消。
承力式贮箱兼有贮箱壁和火箭外壳-功能,结构质量减轻、火箭空间利率提高-现代火箭设计中可综合使用,如火箭的一子-级采用多管发动机,可将一种推进剂贮箱设计为-承力式,传递推力并作为另种推进剂贮箱吊挂-的支柱。
贮箱的布局-串连布局:两个贮箱沿箭轴方向纵向排列。
1.航天工程系统的组成及卫星的系统组成航天工程系统,简称航天系统。
航天系统是由航天器、航天运输系统、航天发射场、航天测控网、应用系统组成的完成特定航天任务的工程系统。
卫星通常可划分为有效载荷和卫星平台两大部分有效载荷是指卫星上直接完成特定任务的仪器、设备或系统,又称专用系统。
1)科学探测和实验类有效载荷。
2)信息获取类有效载荷。
3)信息传输类有效载荷。
4)信息基准类有效载荷。
卫星平台是由保障系统组成的、可支持一种或几种有效载荷的组合体。
1)结构与机构分系统。
2)热控制分系统。
3)电源分系统。
4)姿态与轨道控制分系统。
5)推进分系统。
6)测控分系统。
7)数据管理分系统。
(星务管理分系统)8)总体电路分系统。
9)返回分系统。
(数传分系统)2.空间飞行器总体设计的阶段划分1)任务分析2)约束条件的确定3)卫星研制技术流程初步制定4)卫星与卫星工程大系统、其他系统之间的接口5)方案优选6)方案论证报告和技术要求3.卫星的主承力构件的三种形式,并比较三种形式的优缺点结构形式承力筒箱式杆系结构设计复杂(构件多,约束多)简单简单传力路线长(贮箱上挂)短短承受载荷大(整星)小小结构工艺很复杂(模具多)很简单(平板)简单工艺品质难保证(圆形、构件多)易保证易保证结构质量较重较轻最轻总装工艺难(贮箱内连)简单简单有效载荷扩展难(承力筒限制)易易周期/成本较长/较高较短/较低较短/较低4.静止轨道双自旋稳定通信卫星和三轴稳定通信卫星总体方案的比较比较因素双自旋稳定三轴稳定姿态和天线指向精度相对低较高扩展性差可增大电池阵块数技术复杂程度较简单较复杂(姿轨控系统)继承性可继承DFH-2技术DFH-3技术风险度大(消旋轴承单点故障)较大(管路泄露,太阳电池板展不开)经济性成本相对低成本相对高5.空间飞行器构型设计概念及构型设计一般原则空间飞行器构型设计(又称为空间飞行器总体结构设计)是对飞行器的外形、结构形式、总体布局、仪器舱布局、质量特性以及与运载器和地面机械设备接口关系等进行设计和技术协调的过程。