《扣开太空之门》节选[通用技术课程网]

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《扣开太空之门》节选

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《扣开太空之门》节选

［作者：weng1984 来源：通用技术课程网点击数：更新时间：2007-8-6 文章录入：weng1984 ］

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最近看了一本科普读物《扣开太空之门》，对航天技术作了通俗的解读，对于扩充教师的知识面很有帮助，有的还可以作为备课的候选资源。现摘抄几段供老师们参考。
　　运载火箭的跟踪、测量和遥控
　　运载火箭，是运送众多航天器，如人造地球卫星、载人飞船、空间站和空间探测器等并使它们准确进入轨道的一种有控火箭。
　　在运载火箭飞行的过程中，地面需要随时对它进行跟踪并测量它的飞行轨道，以便实时了及解其飞行状态，初步评价其飞行任务完成情况，及时掌握其飞行是否正常和安全是信息。运载火箭的飞行轨道，是由每一时刻火箭在以发射点为原点的直角坐标中的相对位置、速度和加速度来表示的。
　　对运载火箭飞行轨道的跟踪和测量，基本是是由光学跟踪测量和无线电跟踪测量来完成的。
　　光学跟踪测量系统实际上就是一个具有随动机座的大型望远镜。它像眼睛一样随时盯着飞行中的运载火箭并将其形象显示在屏幕上。这时只要测量“随动机座”的方位角俯仰角，通过对两个或多个地面望远镜获得的数据进行交汇计算，就可以算出运载火箭的轨道参数。常见的可见光跟踪测量设备是一种叫做“电影经纬仪”的光学仪器。多个地面站在统一时间控制下对飞行中的火箭进行同步摄影，并用传感器测量随动机座的方位角和俯仰角，并将数据输入计算机进行处理，就可得到火箭的飞行轨道参数。这种跟踪设备比较简单，且能记录飞行中火箭的形象，甚至于火箭上是否冒烟起火都能看到。但它受光照的限制，不能全天候工作。
　　无线电跟踪测量系统是依据无线电波的传播特性进行跟踪测量的。脉冲雷达从地面向运载火箭发送调制的询问信号，装在运载火箭上的应答机接受到信号后，经变换载频转发到地面站，通过计算脉冲电磁波往返传输的延迟时间，扣掉应答机反应的延迟时间就可以算出火箭相对于地面站的距离。再根据接收载波中的多普勒频移，就可以计算出火箭的径向速度。利用“等信号法”获取火箭的方位角和俯仰角，经过计算处理，坐标转换即可得到火箭的轨道参数。装在火箭上的应答机与地面测控站一起对火箭进行跟踪测量。有了应答机，可以提高测量信号的躁声比，扩大测量雷达的作用距离，提高测量精度。
　　此外，激光和红外线跟踪测量技术也常用于运载火箭的跟踪测轨。其特性、原理和设备都与无线电雷达相类似，因此此被叫做激光雷达和红外雷达。
　　由于雷达波的直线传播特性，所以仅仅一个地面站不可能完成对运载火箭飞行的全部跟踪测量任务，需要多个地面站的“接力”，才能完成对火箭的跟踪测量。
　　对一次性使用的运载火箭来说，地面对运载火箭的遥控仅仅是“安全控制”。所谓安全控制，就是运载火箭在飞行中一旦出现故障而不能正常飞行时，为了避免发生故障的火箭在坠落地面过程中对地面的生命和财产造成严重的灾难，需要选择一个合适的时机，将火箭在空中炸毁。当然，判定火箭故障和决定炸毁时间是一个十分重要而复杂的问题。一经判定和决定实施“安全控制”后，其控制程序是：地面指挥员按下安全控制主控台上的炸毁按钮，通过无线电遥控信道，向运载火箭发送炸毁指令，箭上安全系统中的无线电安全控制接收机在收到指令后，经过解码辨识，接通箭上的引爆器，引爆爆炸装置，将运载火箭在空中炸毁。
　　要对运送载人飞船的运载火箭实施“安全控制”时，箭上的安全控制接收机在收到炸毁指令后，必须首先启动“逃逸火箭”，让飞船脱离火箭后，再将火箭炸毁。

　　运载火箭的控制系统
　　运载火箭是一种可控火箭，控制系统是组成运载火箭的主要分系统之一。运载火箭的控制系统由箭上系统和地面系统两部分组成。其中箭上系统叫做飞行控制系统，地面系统称为测试发射控制系统。
　　地面的测试发射控制系统的任务是检查飞行控制系统和其它设备的性能和参数；运载火箭设置和安装飞行程序和数据；进行精确方位瞄准；在运载火箭经检查合格，符合技术要求之后，实施发射点火控制。
　　箭上的飞行控制系统则用来控制运载火箭飞行中的飞行状态。运载火箭在飞行中，其飞行状态可以分解为两种运动：一是火箭质心的运动，二是火箭绕质心的运动。飞行控制系统的任务就是控制火箭这两种运动状态使之符合设计规定的要求。火箭在实际飞行中，常受到来自火箭本身和外部环境的各种干扰力和干扰力矩的影响而偏离预定飞行状态。来向火箭本身的有：由于箭体结构制造偏差造成的结构不对称、结构轴线和质心偏移，发动机制造和安装偏差造成的推力轴线偏斜，多台发动机工作不同步，液体推进剂在贮箱晃动，控制设备制造误差等引发的干扰力和干扰力矩。来自外部环境的干扰和干扰力矩主要是风的影响。
　　飞行控制系统的功能是：1.控制运载火箭的质心在设计的轨道平面内按预定的轨道飞行，并根据设计的飞行位移和飞行速度及时关闭发动机，保证运载火箭入轨精度；2.克服种种干扰的影响控制运载火箭绕质心运动的状态角（俯仰角、偏航角、滚转角）偏差在允许的范围内，使火箭保持稳定飞行；3.对箭上设备按预定方案实施时序配电控制；4.传输和处理箭上其他系统的工作信息和控制其状态变化。
　　飞行控制系统由制导与导航系统、状态控制系统、供配电系统和时序控制系统三部分及相应的软件组成。软件的作用是完成各种功能计算并把三部分按工作程序结合起来完成飞行控制任务。
　　制导与导航系统的主要任务是控制运载火箭的入轨精度。通过测量仪表测出的火箭运动参数经计算装置进行导航计算，得到火箭的速度和位置，按预定关机量要求关闭发动机；然后根据对每一时刻速度和位移按要求的控制参数（如高度，倾角等）进行导引控制，使火箭的质心运动接近预定的轨道，保证火箭入轨。
　　状态控制系统的任务是克服种种过热的影响保证运载火箭的稳定飞行。通过测量仪表测出火箭绕其质心运动的状态角和角速度，经中间装置处理后发出姿态控制信号，控制火箭的飞行姿态，使其实际飞行的状态与程序要求的状态之间的差接近于零。保持火箭沿着预定轨道飞行，使火箭的偏航角在零度左右摆动；控制火箭的滚转角，使其接近于零度。从而保证火箭的稳定飞行。
　　制导与导航系统的横向和法向导引信号以及姿态控制系统姿态控制信号是经过综合装置综合后通过执行机构改变发动机推力的方向来调整火箭的飞行状态的。目前，运载火箭的执行机构大都采用伺服机构。伺服机构接受综合装置传来的信号（导航控制信号和姿态控制信号）去摆动发动机，使其推力方向变化，利用推力横向分力产生控制力和控制力矩，以控制火箭飞行状态。

　　运载火箭的地面试验
　　运载火箭是一种复杂的飞行器。组成运载火箭的分系统很多，设计过程作中涉及的学科和技术领域很广，生产过程中应用的原材料，元器件种类繁多，地面操作和飞行过程中经历的环境变化很大。在运载火箭发射、飞行的过程中，某个系统、组件、元器件一旦由于设计不当，质量不好或不适应环境变化而发生故障或生效，就会造成运载火箭发射失败甚至灾难。因此，运载火箭研制过程中，在地面必须充分地进行各种各样的试验。通过试验发现设计上的不足，生产中的缺陷，原材料、元器件质量上的隐患，环境变化引起的变异等不可*因素，以便事先采取措施予以排除，提高运载火箭发射的成功率。
　　运载火箭的地面试验按试验的性质和目的来划分，可分为研制性试验（方案性，原理性试验）、鉴定验证性试验、产品质量验收性试验、可*性试验、寿命试验和环境适应性试验（如高低温试验、淋雨试验、公路和铁路运输试验雷击试验等）；按试验对象来分，可分为元器件试验、组件和单机试验、分系统试验、分系统之间综合试验和全系统试验等；按试验手段、试验方法来分，可分为仿真试验、半物理仿真和全实物试验等。运载火箭的地面试验项目很多，工作量大，所需试验设施种类多，规模大，费用高。但地面试验是运载火箭研制中不可缺少的环节，如果简化或省略，往往会因小失大，给研制工作带来不可弥补的损失。这是运载火箭发展史上一条经验和教训。运载火箭的主要试验项目与内容有以下几项。
　　气动性能试验（又称风洞试验）。它是在可行性论证和方案设计阶段，用运载火箭的缩比模型在不同类型、不同风速的风洞中吹风，测量火箭总体或某一部段的气动特性参数，为运载火箭总体方案设计和载荷计算、气动热环境计算、控制系统方案设计和防热结构设计提供依据。
　　箭体结构试验。它是在方案设计和初样设计阶段，为验证箭体结构设计的合理性与结构分析的正确性，对组成箭体的各部段、组件的模样件或初样产品进行单独或联合的试验。箭体结构试验包括静强度试验、动特性试验和热试验。静强度试验用来测定和研究箭体在静载荷作用下的应力——应变特性、变形情况和承载能力。动特性试验包括振动、冲击、噪声、液体推进剂在贮箱中的晃动，火箭发动机、推进剂输送系统与箭体结构之间的纵向耦合振动等试验，用来研究和分析箭体结构的基本动力特性和在各种动力环境下结构的耐受能力。热试验用来研究箭体结构在外载荷和热环境联合作用下的结构强度和刚度。
　　发动机试车。发动机试车是工作量很大的一项地面试验，分木样发动机可行性验证试车、初样发动机性能和结构方案试车、试运行发动机鉴定试车和批生产发动机验收试车等。一台性能稳定、工作可*的发动机是在大量的各种类型的地面试车情况下研制出来的。
　　电子系统综合匹配试验。运载火箭上的各电子系统在箭上同时通电工作的情况下，系统本身的工作是否正常，系统间的工作是否协调、有无相互干扰，需要在地面把各系统放在一起进行联合通电试验。通过地面的综合匹配试验协调各系统的工作程序，排除各系统之间可能产生的干扰，并为最终制定运载火箭的测试和发射程序提供依据。
　　全箭振动试验。（又称火箭动力特性试验）。在初样设计阶段，用全尺寸的振动试验火箭在振动试验塔中对火箭进行纵向和横向的振动特性试验，测量火箭箭体的振型、固有振动频率和结构阻尼系数等动力特性参数，为简体结构、动力装置系统、姿态控制系统和载荷计算提供依据。
　　全箭试车（又称火箭全系统热试车）。运载火箭飞行试验前，用与飞行试验火箭状态基本一致的试车火箭在地全箭试车台上进行火箭全系统工作的热试车，测量在火箭发动机工作的情况下箭体各部分的动力环境参数；箭上各系统的工作程序与飞行试验时完全一样，并由箭上系统自主进行。
　　火工装置试验。火工装置是运载火箭上广泛采用的一种装置。这种装置利用火药的能量，通过设计的功能机构，完成运载火箭发射和飞行中所需的一些特定动作与功能，如发动机的点火、动力装置阀门的开启员关闭，火箭飞行姿态的控制、多级火箭级与级之间的分离、整流之罩的分离、安全系统爆炸装置的引爆和爆炸等。火工装置工作的可*与否，直接影响运载火箭飞行的成败，因此，在地面必须对火工装置进行极为严格的试验。其试验内容有：性能试验、鉴定试验、环境试验（如高低温试验、湿热试验、振动冲击试验、电磁环境试验等）和可*性试验等。
　　运载火箭的地面试验项目很多，内容广泛，不同类型的运载火箭，其试验内容和目的不完全相同。

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