第9章 宇宙飞行器

第十讲宇宙飞行器§1宇宙航行的基本原理§3人造地球卫星§4载人飞船§0概述§5空间探测器§2火箭发动机概述1957年10月04日前苏联用多级火箭发射了第一颗人造地球卫星，打开了人类进入宇宙的大门。几十年来，人类不仅成功地发射了种类众多的人造地球卫星，而且成功地登上了月球，同时还发射了许多探测地球周围行星的探测器。人类已进入了宇宙航行的时代。概述1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”从拜科努尔发射场升空。概述从1958年至1976年，前苏联发射24个月球号探测器，其中18个完成探测月球的任务。1959年9月12日发射的月球2号，两天后飞抵月球，在成为到达月球的第一位使者，首次实现了从地球到另一个天体的飞行。概述１９６１年４月１２日，加加林乘坐“东方”１号宇宙飞船在最大高度为３０１公里的轨道上绕地球一周，历时１小时４８分钟，于上午１０时５５分降落在苏联境内，完成了世界上首次载人宇宙飞行，实现了人类进入太空的愿望。概述六十年代初，美国宇航局提出了“阿波罗登月计划”。经过八年的艰苦努力，连续发射10艘不载人的阿波罗飞船之后，终于在1969年7月16日发射成功载人登月的阿波罗11号飞船。飞船上载有阿姆斯特朗、科林斯和奥尔德林3名航天员。概述1971年4月，前苏联成功发射了世界上第一个试验性载人空间站———“礼炮”1号空间站。这标志着人类的航天活动从规模小、飞行时间短的载人飞船进入到规模较大、飞行时间较长的空间应用探索与试验阶段。概述1981年4月12日美国第一架实用航天飞机哥伦比亚号从卡纳维拉尔角起飞，历时54.5小时，绕地球36圈后安全返回。概述美国“勇气号”火星探测器终于在2004年1月4日胜利登陆火星概述1970年4月24日，中国第一颗人造地球卫星“东方红1号”从酒泉卫星发射中心升空，向全世界宣布中国已进入宇宙空间。概述1975年11月26日，我国首颗返回式卫星发射成功。概述1984年4月8日，“长征三号”运载火箭将第一颗同步通信卫星送人地球静止轨道集中体现了我国现代火箭技术的最新成就。概述1999年11月20日6时30分“神舟”号飞船，在酒泉卫星发射中心用新型长征运载火箭发射升空。概述2003年10月15日9时整，神舟五号载人飞船发射成功，将中国第一名航天员送上太空。中国神舟6号飞船——2005年10月12日神州六号发射与航天员费俊龙聂海胜翟志刚出舱中国神舟7号飞船——2008年9月25日21点10分04秒988毫秒从中国酒泉卫星发射中心载人航天发射场用长征二号F火箭发射升空。宇航员：翟志刚、刘伯明、景海鹏概述•2007年10月24日，中国自主研制的第一颗月球探测卫星“嫦娥一号”探测器在西昌卫星发射中心成功发射。概述2010年10月1日下午18时59分，“嫦娥二号”卫星在西昌发射基地顺利升空，这是我国探月整体规划中所发射的第二颗卫星。概述•2011年9月29日，中国在酒泉卫星发射中心用长征二号F运载火箭将“天宫一号”目标飞行器发射升空。“天宫一号”将和多艘神舟飞船进行对接。我国航天迈向空间站时代。11月3日凌晨，天宫一号和神舟八号对接锁紧。11月1日5时58分，神舟八号飞船在酒泉卫星发射中心发射升空。第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验。第二步，突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术，并利用载人飞船技术改装、发射一个空间实验室。第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。中国载人航天三步走§1宇宙航行的基本原理一宇宙速度二多级火箭三火箭的发射航天器在空间的运动：轨道运动：航天器作为一个质点的运动姿态运动：航天器围绕自身某个点的转动天体运动自然天体运动的基本运行规律：开普勒行星运动三大定律牛顿万有引力定律一.宇宙速度（1）要作宇宙航行，首先要了解宇宙天体的运动规律，十七世纪德国天文学家开普勒Kepler提出了行星运动的三定律。行星运动三定律1.所有行星的运动轨道为椭园，太阳位于椭园的一个焦点上。2.行星的速度是变的，行星中心与太阳中心连线叫向径，同一时间内向径扫过的面积相等。3.行星绕太阳一周的时间叫周期，它与椭园轨道的半长轴的二分之三次方成正比。O一.宇宙速度（1）随后牛顿Newton导出万有引力定律。他认为天体的运动是由于天体间存在引力。引力作用下的天体都在按一定的速度和轨道运行。运行轨道是一个截圆锥曲线，即圆、椭圆、抛物线和双曲线。一.宇宙速度（2）要使物体飞离地球象天体那样作轨道飞行，首先需要获得一定的速度。1.环绕速度环绕速度是指人造天体在地球的某一高度上围绕地球进行圆周运动所需要的最小速度，也称为第一宇宙速度。地球不同高度上的第一宇宙速度不相同。离地面高度(公里)第一宇宙速度(公里/秒)07.9122007.7915007.61910007.35650005.924358003.107引离FF人造卫星按轨道稳定运行需满足：M:卫星质量R:卫星离地心高度VI:第一宇宙速度由Rg——R高度处地心加速度引离FF，得代入地球表面数据，则：环绕速度简单推算/RMVF2I离RMgF引RIRgVkm/sVI912.72.脱离速度脱离速度是指人造天体在地球的某一高度上摆脱地球引力，进入太阳系，成为太阳系人造行星所需要的最小速度，也称为第二宇宙速度。地球不同高度上的第二宇宙速度。离地面高度(公里)第二宇宙速度(公里/秒)011.250010.725100010.40350008.378脱离速度的推算脱离速度可根据脱离地球必需做的功来计算。物体要飞出地球，必须克服地心引力，具有巨大的速度和动能。这一动能必须与物体所在高度处具有的位能相等。IIV/2MV2IIRMgRR2gVRIIIIIV2VkhE=E22R1mvmgR2在地球表面处，km/sVII11.189当发射速度等于时，轨道为抛物线。IIV当速度大于时，轨道不再是抛物线，而是双曲线。IIV3.逃逸速度逃逸速度是指人造天体在地球的某一高度上摆脱太阳的引力，飞出太阳系，成为恒星际航天器所需要的最小速度，也称为第三宇宙速度。地面高度上的第三宇宙速度为：km/sVIII7.16二.多级火箭要飞向宇宙，就要有宇宙速度，这个巨大的速度只有靠多级火箭才能达到。火箭和导弹的飞行原理是牛顿第三定律，即作用力与反作用力定理。u*qF推力公式：单级火箭的理想速度lnZuMMlnuVf0当不考虑重力和气动力作用时单级火箭的理想速度是：M0:起飞质量Mf:关车质量u:排气速度Z:质量比其中:火箭携带大量的推进剂，燃烧时，火箭的质量迅速变化，因此必须按照变质量物体来计算其运动规律，即按照著名的齐奥尔柯夫斯基公式进行计算。多级火箭的理想速度多级火箭的理想速度是：n1iiin1iilnZuVV三.火箭的发射多级火箭是垂直发射的。这样做的好处是，以尽可能短的时间和距离穿过稠密的大气层，减小空气阻力，而且垂直安放也比较方便。库鲁发射中心（法属圭亚那）从地理位置上看，库鲁是全球最佳的卫星发射地点，它可以把卫星向东射入大西洋上空，又能得到地球自转的助推，而且向北和向东的海面上有一个很宽的发射弧度。由于这个地方位于赤道之上，所以用同一种火箭把卫星送入赤道上空轨道时，可比在美国卡纳维拉尔角发射多载15％的重量。1968年库鲁航天中心的第一个发射台和控制中心建成，同年4月9日发射第一枚火箭。截至目前，这里已有400多次的发射纪录。1985年又建成第二发射台，用于发射阿丽亚娜3型和4型火箭。现在每年有9次左右商业卫星发射任务。多级火箭多级火箭是星际间航行的唯一交通员。它是怎么飞行的呢？先来做一个小试验：把气球吹满气，猛一松手，它肯定会向前“飞”出一定距离后才落到地面。原来气球之所以能“飞”是因为受到它“肚子”里排放出来的空气的反作用力的推动。火箭飞行的原理和气球“飞”的原理一样，都是利用了物体的反作用力。火箭的“肚子”里装有燃料，燃料点着后产生大量热量，变成急剧膨胀的气体，气体从火箭尾部猛烈喷出，火箭便在气体喷发产生的反作用力下向前飞行了。火箭为什么能飞得那么快呢？我们知道，燃料产生的热量越多，喷射气体的速度越快，产生的推力就越大。科学家计算过，一般火箭燃气的喷射速度约为每秒2千米左右，当燃料的重量是火箭净重的1.72倍时，火箭的最终速度等于气体的喷射速度，如果要使火箭的最终速度达到气体喷射速度的2倍，3倍，那么就要相应地增加燃料。可是燃料一增加，火箭的体积，重量也就随之增加，而用同样的力推动轻，重不同的物体，其速度是不一样的。怎么解决增加燃料又不过多地增加火箭重量的矛盾呢？科学家们想了一个绝妙的办法，就是把火箭做成一级一级的，每一级都有燃料，烧完一级就扔掉一级，这样火箭就越飞越轻，速度也越来越快。你想知道火箭的身体构造吗？一般来讲火箭身上有三大系统：结构系统，动力系统，控制系统。结构系统是它的躯壳；动力系统是它的心脏，由燃料部分和发动机部分组成；控制系统好比它的大脑，指挥火箭飞多快，怎样飞和飞到哪儿。多级火箭在飞行中，它的身体被一节一节地甩掉，最末的一节把卫星“顶”到预定轨道。长征二号丙运载火箭长征2号火箭1972年首次发射，因箭上一根导线断裂发射没有成功。这是一种两级火箭，全长31.65米，最大直径3.35米，起飞重量191吨，总推力280吨，能把1.8吨的卫星送入数百千米的椭圆轨道。经过改进的长征2号丙火箭，采用了大推力的液体火箭发动机，箭长增加到35米，近地轨道的运载能力增加到2.5吨。从1975年11月26日用它首次发射返回式卫星成功，到1993年底已发射14次，均圆满完成任务。长征2号还有一个改进型号长征2号丁火箭，也是一种两级液体火箭，全长38.3米，起飞重量232吨。1992年4月9日用它首次发射返回式卫星也获得成功。长征三号运载火箭长征3号运载火箭是在长征2号火箭基础上，第三级采用低温高能的液氢液氧发动机，1984年研制成功。火箭全长43.25米，一，二级直径3.35米，三级直径2.25米，起飞重量202吨，起飞推力280吨，其同步转移轨道的运载能力为1.4吨。至1993年底，成功发射6颗实用通信卫星（包括为亚洲卫星公司发射的“亚洲一号”通信卫星）。长征3号火箭的发射成功，标志中国运载火箭跨入世界先进行列。长征四号运载火箭火箭全长41.9米，一，二级直径3.35米，三组直径2.9米，起飞重量249吨，起飞推力300吨，其地球同步转移轨道的运载能力为1.25吨，太阳同步轨道的运载能力为1.65吨。迄今发射两次均获成功。长征4号是长征3号火箭的同宗型号。不同的是，长征4号火箭三级都采用常规推进剂（四氧化二氮，偏二甲肼）。（苏）能源号运载火箭这种命名为能源号的运载火箭由两级组成。第一级捆绑4台液体助推火箭，高39米，直径4米；第二级为直径8米的芯级，由4台液氢液氧发动机组成。火箭长约60米，总重2400吨，起飞推力3500吨，能把100吨有效载荷送上近地轨道。发射时，第一，二级同时点火，第一级4台助推火箭工作完成后，由地面控制脱离芯级火箭回收，经修理后可重复使用50次；第二级即芯级火箭可将有效载荷送入地球轨道运行。（苏）质子号运载火箭质子号火箭共四级，全长44.3米，底部最大直径7.4米，起飞重量800吨。第一级由6台助推火箭组成，中心是一个直径较大的氧化剂箱，四周捆绑6个燃料箱，起飞推力达1000吨。第二级高约13.7米，装有4台发动机，总推力为240吨。第三级高6.4米，装1台发动机，另有4台校正航向的可控微调发动机。第四级高5.5米，装有1台封闭式循环发动机，可二次点火。这种火箭可将21吨重的有效载荷送上近地轨道。（苏）联盟号运载火箭联盟号火箭系因发射联盟系列载入飞船而得名。它是由东方号三级火箭改进第三级后的新型三级运载火箭。总长49.3米，起飞重量310吨，近地轨道地运载能力为7.5吨。1963年11月16日首次发射宇宙22号卫星成功，1964年和1965年又先后用来试验发射两艘上升号载入飞船。1967年开始用来发射联盟号，联盟T号系列载入飞船和进步号自动货