1、空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下1一、一、 交會與對接控制交會與對接控制二、再入返回控制二、再入返回控制第七課_空間飛行器軌道控制下空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下2一、交會與對接控制一、交會與對接控制空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下3空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下4交會對接概念交會對接概念: : 交會交會是

2、指兩個或兩個以上的航天器在軌道上是指兩個或兩個以上的航天器在軌道上按預定位置和時間相會按預定位置和時間相會; ; 對接對接則是指兩個航天器在軌道上相會后連成則是指兩個航天器在軌道上相會后連成一個整體。一個整體。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下5 需要交會的航天器不一定需要對接需要交會的航天器不一定需要對接, ,如軌道攔如軌道攔截等情況截等情況; ;但是需要對接的航天器則一定要首先實但是需要對接的航天器則一定要首先實現交會現交會, ,而且交會還必須達到對接所要求的精度。而且交會還必須達到對接所要求的精度。交會是對接的前提和

3、基礎。交會是對接的前提和基礎。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下6 一般在要進行交會對接的兩個航天器中一般在要進行交會對接的兩個航天器中, ,往往一往往一個是個是“主動主動的的”, ,另一個是另一個是“被動被動的的”。 主動航天主動航天器在交會對接過程中完成軌道機動器在交會對接過程中完成軌道機動, ,即即改變自己質心的運動改變自己質心的運動, ,向被動航天器靠近向被動航天器靠近; ; 被動航天器被動航天器不改變自己的質心運動不改變自己的質心運動, ,即運行軌道即運行軌道不變不變, ,僅完成繞質心的轉動僅完成繞質心的轉動,

4、,使自己的對接裝置能夠使自己的對接裝置能夠始終對著主動航天器。這樣能夠有效地減輕主動航始終對著主動航天器。這樣能夠有效地減輕主動航天器的控制任務。天器的控制任務。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下7 交會對接通常可以分為交會對接通常可以分為3 3個主要階段。個主要階段。 (1)(1)會合階段會合階段: :通過遠程導引的軌道控制來通過遠程導引的軌道控制來實現兩個航天器的會合實現兩個航天器的會合, ,一般會合在幾萬米的相一般會合在幾萬米的相對距離之內。遠程導引方法與航天器的軌道機動對距離之內。遠程導引方法與航天器的軌道機動沒有什

5、么區別。沒有什么區別。 (2)(2)接近階段接近階段: :通過近程導引的軌道控制使通過近程導引的軌道控制使兩個航天器相對距離在兩個航天器相對距離在1km1km之內之內, ,相對速度在相對速度在1 11.5 m/s1.5 m/s以下。以下。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下8 有時也將以上兩個階段統稱為有時也將以上兩個階段統稱為導引段導引段, ,或分或分別稱為別稱為遠程導引段遠程導引段或或近程導引段近程導引段。 (3)(3)停靠和對接階段停靠和對接階段: :要求兩個航天器相對要求兩個航天器相對速度為零或者在相對一定距離之內停靠

6、速度為零或者在相對一定距離之內停靠, ,停靠后停靠后進行對接。無碰撞的停靠將為對接創造良好的工進行對接。無碰撞的停靠將為對接創造良好的工作條件。作條件。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下9 在停靠和對接階段在停靠和對接階段, ,兩個航天器相互靠近的相對速兩個航天器相互靠近的相對速度具有嚴格的度具有嚴格的限制極限限制極限。限制極限的。限制極限的上限上限是航天器的是航天器的強度強度, ,若超過了將導致航天器撞毀若超過了將導致航天器撞毀; ;而而下限下限則受對接裝則受對接裝置可靠工作的制約置可靠工作的制約, ,若達不到則對接不能可

7、靠完成。若達不到則對接不能可靠完成。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下10 兩個航天器的姿態應當保證在所有的時間內兩個航天器的姿態應當保證在所有的時間內, ,兩者的對接組件軸在同一條直線上且相互對準兩者的對接組件軸在同一條直線上且相互對準, ,以保證對接組件接觸后的正常工作。以保證對接組件接觸后的正常工作。 要實現這一點要實現這一點, ,就要求主動航天器在固定姿就要求主動航天器在固定姿態的情況下態的情況下( (即沒有任何轉動即沒有任何轉動) )能夠能夠前進和后退前進和后退, ,能夠在任何方向能夠在任何方向側移側移。 因此必

8、須在航天器上配置縱向和側向運動所因此必須在航天器上配置縱向和側向運動所需的需的小發動機或推力器小發動機或推力器。停靠和對接階段姿態要求停靠和對接階段姿態要求: :空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下11 會合階段主要是軌道控制會合階段主要是軌道控制, ,也就是也就是制導問題制導問題; ; 接近階段大部分仍然屬于接近階段大部分仍然屬于軌道控制軌道控制, ,只是在只是在短距離的制導中還要有比較粗的短距離的制導中還要有比較粗的姿態控制姿態控制; ; 停靠和對接階段同時要進行小距離停靠和對接階段同時要進行小距離軌道機動軌道機動和精確和

9、精確姿態控制姿態控制, ,還是交會對接中最關鍵的階段。還是交會對接中最關鍵的階段。 從上述空間交會和對接各階段的順序和相對從上述空間交會和對接各階段的順序和相對運動可以看出運動可以看出: :空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下12 下圖表示了空間交會對接的控制程序。橫坐下圖表示了空間交會對接的控制程序。橫坐標表示兩個航天器的相對距離標表示兩個航天器的相對距離, ,縱坐標表示實現縱坐標表示實現控制的相應方法。控制的相應方法。空間交會對接飛行程序空間交會對接飛行程序空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空

10、間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下13 （1 1）手動操作手動操作: :由航天員在軌道上親自觀察由航天員在軌道上親自觀察和操作和操作, ,這是目前比較成熟的方法。但是這是目前比較成熟的方法。但是, ,對航天對航天員來說這是一項繁重的工作員來說這是一項繁重的工作, ,這種方式僅適用于這種方式僅適用于載人航天器載人航天器; ; （2 2）遙控操作遙控操作( (非自主非自主) ): :由地面站通過遙測由地面站通過遙測和遙控來實現和遙控來實現, ,要求全球設站或有中繼衛星協助要求全球設站或有中繼衛星協助; ; （3 3）自動控制自動控制: :不依靠航天員不依靠航天員, ,由星上設備和由星上設備和地

11、面站相結合實現交會對接地面站相結合實現交會對接; ; 空間交會對接的控制方式空間交會對接的控制方式有有4 4種。種。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下14 （4 4）自主控制自主控制: :不依靠地面站不依靠地面站, ,完全由星上完全由星上設備來實現設備來實現, ,特別對不載人航天器最合適。特別對不載人航天器最合適。 其中其中, ,自主交會對接自主交會對接由于敏感器和控制器由于敏感器和控制器( (計算機計算機) )的作用的作用, ,一般都反應迅速而準確。一般都反應迅速而準確。 自主交會對接系統自主交會對接系統比較復雜比較復雜

12、, ,而且技術上難而且技術上難度較大。前蘇聯已經進行了多次實驗度較大。前蘇聯已經進行了多次實驗, ,并且獲得并且獲得成功。成功。 隨著今后計算機和空間機器人迅速的發展隨著今后計算機和空間機器人迅速的發展, ,自主交會對接自主交會對接是今后發展的方向。是今后發展的方向。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下15 自動和自主交會對接最自動和自主交會對接最關鍵的技術關鍵的技術是是測量方測量方法法和和敏感器敏感器。 由于交會對接各階段測量范圍和精度不同由于交會對接各階段測量范圍和精度不同, ,需要采用多種測量方法和敏感器需要采用多種測量

13、方法和敏感器, ,很難用一種敏很難用一種敏感器完成整個交會對接的測量任務。感器完成整個交會對接的測量任務。 遠距離一般采用遠距離一般采用交會雷達交會雷達, ,近距離可用近距離可用電視電視攝像和光學成像敏感器攝像和光學成像敏感器。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下16 燃料消耗量、交會花費時間和交會終點所達燃料消耗量、交會花費時間和交會終點所達到的精度三方面。到的精度三方面。 在系統設計中若需要滿足某一個指標為主在系統設計中若需要滿足某一個指標為主, ,而其他兩個指標處在從屬地位而其他兩個指標處在從屬地位, ,一般應用系統工一

14、般應用系統工程方法程方法, ,根據空間交會和對接的具體任務根據空間交會和對接的具體任務, ,全面論全面論證這三方面指標的相互關系和主從關系。證這三方面指標的相互關系和主從關系。空間交會控制系統設計指標空間交會控制系統設計指標空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下17再入返回原理再入返回原理 航天器的發射是一個加速過程航天器的發射是一個加速過程, ,即在運載火即在運載火箭的推動下箭的推動下, ,航天器由靜止到運動航天器由靜止到運動, ,由低速到高速由低速到高速, ,最后達到飛行的目的。最后達到飛行的目的。 而航天器的返回實際上是發

15、射的逆過程而航天器的返回實際上是發射的逆過程, ,即即要使高速飛行的航天器減速要使高速飛行的航天器減速, ,最后降落在地面上。最后降落在地面上。8.5 航天器的再入返回控制航天器的再入返回控制二、二、再入返回再入返回控制控制空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下18空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下19 從理論上講從理論上講, ,航天器的返回航天器的返回, ,可以用與發射可以用與發射方向相反的火箭方向相反的火箭, ,沿著發射軌道和發射過程逆向沿著發射軌道和發射

16、過程逆向地進行減速。這就需要相當大的動力裝置和相當地進行減速。這就需要相當大的動力裝置和相當多的推進劑多的推進劑, ,而這些返回用的動力裝置和推進劑而這些返回用的動力裝置和推進劑在發射過程中又成為運載火箭的有效載荷。在發射過程中又成為運載火箭的有效載荷。 這樣勢必使發射航天器的起飛重量大大增加這樣勢必使發射航天器的起飛重量大大增加, ,所以這個方法很不經濟所以這個方法很不經濟, ,在工程實踐中不采用它。在工程實踐中不采用它。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下20 更好的辦法是更好的辦法是利用地球表面大氣層的空氣阻力來利用地球

17、表面大氣層的空氣阻力來使航天器減速使航天器減速。 減速過程減速過程: : 首先利用一小段推力首先利用一小段推力, ,使航天器離開使航天器離開原來的運行軌道原來的運行軌道, ,轉入朝向大氣層的軌道轉入朝向大氣層的軌道, ,此后不再使此后不再使用火箭的動力來減速。用火箭的動力來減速。 由于航天器以一定速度在大氣中飛行由于航天器以一定速度在大氣中飛行, ,必然受到必然受到大氣的阻力作用大氣的阻力作用, ,使航天器逐漸減速使航天器逐漸減速, ,降落到地面上。降落到地面上。 優點優點: :節省推進劑、減輕火箭裝置的重量。節省推進劑、減輕火箭裝置的重量。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七

18、課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下21 航天器再入大氣層時的速度很高航天器再入大氣層時的速度很高, ,可達可達7km/s7km/s以上以上, ,所以作用在航天器上的所以作用在航天器上的空氣阻力空氣阻力很大很大, ,最大最大可達到它本身重量的幾倍到十幾倍。可達到它本身重量的幾倍到十幾倍。 航天器以幾倍甚至十幾倍于重力加速度航天器以幾倍甚至十幾倍于重力加速度g g的負的負加速度進行減速。加速度進行減速。 航天器在空氣阻力的作用下急劇減速航天器在空氣阻力的作用下急劇減速, ,速度由速度由剛進入大氣層時的宇宙速度很快地降低到剛進入大氣層時的宇宙速度很快地降低到15 km15 km高

19、高度以下的亞音速度以下的亞音速, ,即即200m/s200m/s左右左右, ,最后再進一步采最后再進一步采取減速措施取減速措施, ,如用降落傘如用降落傘, ,使航天器減速到安全著使航天器減速到安全著陸速度。陸速度。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下22 這種方法只須用一個能量不大的制動火箭這種方法只須用一個能量不大的制動火箭, ,作用很短的一段時間作用很短的一段時間, ,使航天器離開原來的運行使航天器離開原來的運行軌道軌道, ,轉入朝向大氣層的軌道轉入朝向大氣層的軌道, ,以后就不再使用火以后就不再使用火箭的動力來減速。這是

20、目前工程上普遍使用的方箭的動力來減速。這是目前工程上普遍使用的方法。法。 缺點缺點: :航天器要經受很高的氣動加熱航天器要經受很高的氣動加熱, ,如果沒如果沒有采取特殊的措施有采取特殊的措施, ,航天器將燒毀。航天器將燒毀。 對策對策: :增加防熱層。增加防熱層。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下23 落點精度落點精度; ; 再人大氣層的航天器表面受熱限制再人大氣層的航天器表面受熱限制; ; 如果是載人航天器須考慮人體安全如果是載人航天器須考慮人體安全, ,還要還要求減速度限制。求減速度限制。再入和返回控制大致有三項要求再入

21、和返回控制大致有三項要求: :空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下24 （1 1）離軌段）離軌段 （2 2）過渡段）過渡段 （3 3）再入段）再入段 （4 4）著陸段）著陸段 再入返回的過程再入返回的過程空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下25 （1 1）離軌段）離軌段 該段從返回制動或返回變軌裝置該段從返回制動或返回變軌裝置( (通常是火通常是火箭發動機箭發動機) )開始工作起至其結束工作時止開始工作起至其結束工作時止, ,所以該所以該階段也稱為制動飛行段。

22、階段也稱為制動飛行段。 在返回制動或返回變軌裝置推力的作用在返回制動或返回變軌裝置推力的作用 下下, ,航天器離開原來的軌道航天器離開原來的軌道, ,并進入一條引向地面并進入一條引向地面的軌道。的軌道。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下26 （2 2）過渡段）過渡段 該段是從返回制動或返回變軌裝置工作結束該段是從返回制動或返回變軌裝置工作結束到進入地球大氣層之前的被動段。到進入地球大氣層之前的被動段。 在這一階段在這一階段, ,航天器軌道不加以控制航天器軌道不加以控制, ,沿過渡沿過渡軌道自由下降。軌道自由下降。 但有時為了

23、保證航天器能夠準確、準時地進但有時為了保證航天器能夠準確、準時地進入下一階段再入段入下一階段再入段, ,往往要對軌道進行幾次修正。往往要對軌道進行幾次修正。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下27 （3 3）再入段）再入段 該段是航天器進入大氣層后該段是航天器進入大氣層后, ,在大氣中運動在大氣中運動的階段。在此段中的階段。在此段中, ,航天器要經受嚴重的氣動加航天器要經受嚴重的氣動加熱、外壓和大過載的考驗熱、外壓和大過載的考驗, ,因此再入段軌道的研因此再入段軌道的研究是整個返回軌道研究中的重點。究是整個返回軌道研究中的重

24、點。 再入時的速度方向與當地水平線的夾角為再入時的速度方向與當地水平線的夾角為, ,稱為再入角稱為再入角, ,再入角的大小直接影響到航天器在再入角的大小直接影響到航天器在大氣層里所受的氣動力加熱、過載和返回時的航大氣層里所受的氣動力加熱、過載和返回時的航程。程。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下28 再入角太小再入角太小, ,航天器可能只在稠密大氣層的航天器可能只在稠密大氣層的邊緣掠過而進入不了大氣層邊緣掠過而進入不了大氣層; ; 再入角過大再入角過大, ,航天器受到的空氣阻力會很大航天器受到的空氣阻力會很大, ,過載可能超

25、過允許值過載可能超過允許值, ,同時氣動力加熱也會過于同時氣動力加熱也會過于嚴重。嚴重。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下29航天器的再入軌道范圍航天器的再入軌道范圍 “再入走廊再入走廊”的大小可以由再入角的范圍表示的大小可以由再入角的范圍表示, , 上限對應于上限對應于最小再入角最小再入角, ,是航天器能進入大是航天器能進入大氣層而不再回到空間的一條界線氣層而不再回到空間的一條界線; ; 下限對應于下限對應于最大再入角最大再入角, ,是航天器承受過載是航天器承受過載極限值或氣動力加熱極限值的界線極限值或氣動力加熱極限值的

26、界線; ; 二 者 之 差 是 所 允 許 的 再 入 角 范 圍二 者 之 差 是 所 允 許 的 再 入 角 范 圍 , ,即即 。minmax空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下30“再入走廊再入走廊”空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下31 “再入走廊再入走廊”也可用也可用走廊寬度走廊寬度表示。表示。 再入角的上、下限各相應于一條過渡軌道再入角的上、下限各相應于一條過渡軌道, ,假定在無大氣層情況下假定在無大氣層情況下, ,航天器沿上、下限橢圓航天器沿

27、上、下限橢圓形過渡軌道飛過近地點形過渡軌道飛過近地點, ,上、下限兩條軌道近地上、下限兩條軌道近地點高度之差稱為點高度之差稱為走廊寬度走廊寬度。 不同的航天器有不同的氣動特性、不同的防不同的航天器有不同的氣動特性、不同的防熱結構和不同的最大過載允許值熱結構和不同的最大過載允許值, ,因而有不同的因而有不同的再入走廊寬度。再入走廊寬度。 但一般說來航天器的再入走廊都比較狹窄但一般說來航天器的再入走廊都比較狹窄, ,所以要準確地把航天器導入走廊所以要準確地把航天器導入走廊, ,必須在此之前必須在此之前控制和調整航天器的姿態。控制和調整航天器的姿態。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七

28、課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下32（4 4）著陸段）著陸段 當航天器下降到當航天器下降到20km20km以下的高度時以下的高度時, ,進一步采取進一步采取減速措施減速措施, ,保證其安全著陸。這一階段又稱為保證其安全著陸。這一階段又稱為“回收回收段段”。 航天器著陸的方式航天器著陸的方式, ,有有垂直著陸垂直著陸和和水平著陸水平著陸兩種。兩種。 垂直著陸垂直著陸采用降落傘系統采用降落傘系統, ,從降落傘開始工作之從降落傘開始工作之點到航天器的軟著陸點這段軌道稱為降落傘著陸段。點到航天器的軟著陸點這段軌道稱為降落傘著陸段。 水平著陸水平著陸的航天器具有足夠的升力的航天器具

29、有足夠的升力, ,能夠連續下能夠連續下滑滑, ,并在跑道上著陸滑跑。并在跑道上著陸滑跑。 在水平著陸情況下在水平著陸情況下, ,從航天器到達著陸導引范圍從航天器到達著陸導引范圍, ,并開始操縱活動的翼面控制升力和阻力分布機動飛行并開始操縱活動的翼面控制升力和阻力分布機動飛行時起時起, ,到航天器到達著陸點這段軌道稱為導引著陸段。到航天器到達著陸點這段軌道稱為導引著陸段。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下33 降落傘著陸段降落傘著陸段, ,一般都是在航天器接近平衡一般都是在航天器接近平衡速度之后速度之后, ,繼續減速到降落傘

30、系統能可靠工作的繼續減速到降落傘系統能可靠工作的速度和高度時開始的。速度和高度時開始的。 航天器的平衡速度指航天器受到的氣動阻力航天器的平衡速度指航天器受到的氣動阻力D D等于它所受重力時的速度。等于它所受重力時的速度。 導引著陸段導引著陸段, ,一般是在航天器下降到一定高一般是在航天器下降到一定高度度, ,氣動力的作用大到操縱活動翼面可以控制航氣動力的作用大到操縱活動翼面可以控制航天器的機動飛行和下滑狀況時開始的。以后的飛天器的機動飛行和下滑狀況時開始的。以后的飛行就與飛機進場著陸相類似了。行就與飛機進場著陸相類似了。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行

31、器軌道控制下空間飛行器軌道控制下34空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下35 航天器的再入返回分為航天器的再入返回分為彈道式彈道式、彈道彈道- -升力升力式式、升力式升力式3 3種方式。種方式。 這是根據航天器在再入段的不同氣動力特性這是根據航天器在再入段的不同氣動力特性來分類的。來分類的。 在大氣層中在大氣層中, ,航天器所受空氣動力分為沿速航天器所受空氣動力分為沿速度反方向的阻力度反方向的阻力D D和垂直于速度方向的升力和垂直于速度方向的升力Y Y兩個兩個分量。升力和阻力大小之比分量。升力和阻力大小之比Y YD D稱為升阻

32、比。稱為升阻比。 再入返回方式再入返回方式 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下36 一般升阻比在一般升阻比在O OO.1O.1范圍內的航天器的再范圍內的航天器的再入返回為入返回為彈道式再入返回彈道式再入返回 升阻比在升阻比在O.1O.1O.5O.5之間的為之間的為彈道彈道- -升力式再升力式再入返回入返回 而當升阻比大于而當升阻比大于O.5O.5的則為的則為升力式升力式空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下37 采用彈道式再入返回方式的航天器升阻比為采用彈道式

33、再入返回方式的航天器升阻比為零或接近于零零或接近于零(O(OO.1),O.1),在空氣中運動只產生阻在空氣中運動只產生阻力而不產生升力力而不產生升力, ,或者只產生很有限的升力或者只產生很有限的升力, ,但此但此升力是無法控制的升力是無法控制的. . 此類航天器一旦脫離原來的運行軌道此類航天器一旦脫離原來的運行軌道, ,就沿就沿著預定的彈道無控制地返回地面。著預定的彈道無控制地返回地面。 這與彈道式導彈的彈頭運動相似這與彈道式導彈的彈頭運動相似, ,故稱為故稱為彈彈道式道式。 （1 1）彈道式再入返回）彈道式再入返回 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌

34、道控制下空間飛行器軌道控制下38 彈道式再入返回的優點彈道式再入返回的優點: : 由于沒有升力由于沒有升力, ,所以航天器的氣動外形很簡所以航天器的氣動外形很簡單單, ,通常采用鈍頭的軸對稱旋轉體外形通常采用鈍頭的軸對稱旋轉體外形, ,如圓球體、如圓球體、圓錐體等圓錐體等; ; 航天器在大氣層里經歷的時間很短航天器在大氣層里經歷的時間很短, ,因此氣因此氣動力加熱的總加熱量相對地要小些動力加熱的總加熱量相對地要小些, ,防熱結構較防熱結構較簡單簡單; ; 彈道式再入航天器是返回式航天器中最簡單彈道式再入航天器是返回式航天器中最簡單的一種的一種, ,技術上易于實現。技術上易于實現。 空間飛行器動

35、力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下39彈道式再入返回的缺點彈道式再入返回的缺點: : 由于在大氣層內的運動是無控的由于在大氣層內的運動是無控的, ,再入返回再入返回過程中沒有校正落點位置偏差的可能過程中沒有校正落點位置偏差的可能, ,因此要求因此要求回收區域很大回收區域很大; ; 其次其次, ,由于彈道式再入返回的航天器減速很由于彈道式再入返回的航天器減速很快快, ,所以產生的熱流密度峰值和過載峰值是各種所以產生的熱流密度峰值和過載峰值是各種方式中最大的。方式中最大的。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空

36、間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下40 彈道彈道- -升力式再入返回的航天器是一種既保升力式再入返回的航天器是一種既保持彈道式航天器結構簡單和防熱易于處理的特點持彈道式航天器結構簡單和防熱易于處理的特點, ,又能適當地利用升力又能適當地利用升力, ,在一定程度上克服彈道式在一定程度上克服彈道式再入返回缺點的航天器。再入返回缺點的航天器。 在結構上在結構上, ,它它將重心位置配置在偏離中心軸將重心位置配置在偏離中心軸的一段很小的距離上的一段很小的距離上。 這樣這樣, ,航天器航天器( (除球狀外形之外除球狀外形之外) )在氣流中能在氣流中能產生一定的攻角產生一定的攻角, ,相應地產生一定的升

37、力。相應地產生一定的升力。（2 2）彈道）彈道- -升力式再入返回升力式再入返回 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下41彈道-升力式再入返回的升力是有限的升力是有限的, ,不超過阻不超過阻力的一半。力的一半。 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下42 從外形上看從外形上看, ,采用彈道采用彈道- -升力式再入返回的航升力式再入返回的航天器基本上保持了彈道式航天器的外形結構簡單天器基本上保持了彈道式航天器的外形結構簡單的特點。的特點。 以上兩種再入返回式航天器

38、沒有或只有很有以上兩種再入返回式航天器沒有或只有很有限的升力限的升力, ,所以只能垂直降落。所以只能垂直降落。 在接近地面之前在接近地面之前, ,還需要有一套降落傘系統還需要有一套降落傘系統來統一減速來統一減速, ,才能保證安全著陸。才能保證安全著陸。空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下43 當要求航天器水平著陸時當要求航天器水平著陸時, ,必須給航天器足必須給航天器足夠大的升力夠大的升力, ,使再入軌道使再入軌道, ,特別是著陸段平緩到適特別是著陸段平緩到適合水平著陸的程度。合水平著陸的程度。 航天器的升力增大航天器的升力增大, ,在再入段調整升力在再入段調整升力, ,可以可以增大調整軌道增大調整軌道( (機動飛行機動飛行) )的能力的能力, ,平緩再入段和平緩再入段和增大機動飛行的范圍增大機動飛行的范圍, ,使航天器水平著陸和著陸使航天器水平著陸和著陸到指定的機場跑道上成為可能。到指定的機場跑道上成為可能。（3 3）升力式再入返回）升力式再入返回 空間飛行器動力學與控制空間飛行器動力學與控制 第七課第七課_ _空間飛行器軌道控制下空間飛行器軌道控制下44 要求航天器