航天器

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“东方红”通信卫星

  航天器汉语拼音:Hangtianqi;英语:Spacecraft),在太空基本上按照天体力学的规律运动的各类飞行器,又称空间飞行器世界上第一个航天器是苏联1957年10月4日发射的人造地球卫星1号,第一个载人航天器是苏联航天员Yu.A.加加林乘坐的“东方”1号飞船,第一个把人送到月球上的航天器是美国阿波罗11号飞船,第一个兼有运载火箭、航天器和飞机特征的航天飞机是美国哥伦比亚号航天飞机

  航天器一般由运载器送入运行轨道,运载器装载航天器在专用的航天器发射场发射。航天测控、数据采集网和用户台站(网)组成测控和信息站网。航天器、运载器、发射和回收场与测控、信息站网协调工作,共同组成航天系统。

  航天器是执行航天任务的主体。

分类

  分为人造地球卫星、空间探测器和载人航天器。

人造地球卫星

  简称人造卫星,是数量最多的航天器,约占航天器总数的93%以上。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,分为通信广播卫星气象卫星侦察卫星导航卫星测地卫星地球资源卫星海洋卫星预警卫星、截击卫星和多用途卫星等。

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。

载人航天器

  分为载人飞船、空间实验室、空间站和航天飞机轨道器。载人飞船运送航天员到空间目的地,包括卫星式载人飞船和登月载人飞船。空间实验室接纳航天员到其中进行发展空间站的实验准备工作。空间站可接纳多名航天员在站上较长时间(数天至数百天)生活和工作。航天飞机轨道器一般兼有运载器、运输器和可重复使用的功能。

运动原理

  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。运动方式主要有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。航天器克服地球引力在空间运行,必须获得足够大的初始速度。环绕地球的速度(指相对于地心的速度量值)最小是7.9千米/秒,称为第一宇宙速度。航天器脱离地球引力场进入行星际空间必须达到的最小速度是11.2千米/秒,叫作脱离速度,又称逃逸速度,也称第二宇宙速度。飞出太阳系的航天器所需的最小速度是16.6千米/秒,称为第三宇宙速度。实现恒星际航行则需要更大的速度。

系统组成

  航天器由不同功能的若干分系统组成,一般分为功能系统和保障系统。功能系统又称有效载荷系统,是实现航天器功能、执行航天任务的系统。保障系统是保障航天器在寿命期间正常工作的系统。

功能系统

  种类很多,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和原子钟等。单一用途航天器装有一种类型的功能系统,多用途航天器装有几种类型的功能系统。

保障系统

  各种类型航天器的保障系统基本相同或类似,一般包括以下系统:

  1.结构系统: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。航天器的结构大多采用铝、镁、钛等轻合金和复合材料。

  2.热控制系统:又称温度控制系统,保障各种仪器设备在复杂的空间环境中处于允许的温度范围内。主要措施有表面处理(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。

  3.电源系统: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。

  4.姿态控制系统:保持或改变航天器的运行姿态。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。

  5.轨道控制系统:保持或改变航天器的运行轨道。由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,构成航天器控制系统。

  6.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。

  7.返回着陆系统:保障返回型航天器安全、准确地返回地面。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。在月球或除地球外的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。

  8.生命保障系统:维持航天员正常生活所必需的设备和条件,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。

  9.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。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。

  10.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。

  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(含地球外天体)建造各种大型的空间系统,例如,口径几米或更大的大型光学系统、长达几千米的巨型天线阵,大型空间站和月球、火星基地等。未来航天器的发展和应用主要集中在3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,在地球外天体寻找水、氧和其他资源,为人类驻进创造条件。从空间获取信息、材料、能源和扩大人类生存空间是航天器发展的长远目标。