空間飛行器

世界上第一個航天器是蘇聯1957年10月4日發射的“人造地球衞星1號”，第一個載人航天器是蘇聯航天員Ю.А.加加林乘坐的東方號飛船，第一個把人送到月球上的航天器是美國“阿波羅11號”飛船，第一個兼有運載火箭、航天器和飛機特徵的航天飛機是美國“哥倫比亞號”航天飛機。

已到2022年，航天器還都是在太陽系內運行。航天器為了完成航天任務，必須與運載器、航天器發射場和回收設施、航天測控和數據採集網和用户台站（網）等互相配合，協調工作，共同組成航天系統。航天系統是大型的系統工程。

航天器的出現使人類的活動範圍從地球大氣層擴大到廣闊無垠的宇宙空間，引起了人類認識自然和改造自然能力的飛躍，對社會經濟和社會生活產生了重大影響。航天器在地球大氣層以外運行，擺脱了大氣層阻礙，可以接收到來自宇宙天體的全部電磁輻射信息，開闢了全波段天文觀測；航天器從近地空間飛行到行星際空間飛行，實現了對空間環境的直接探測以及對月球和太陽系大行星的逼近觀測和直接取樣觀測；環繞地球運行的航天器從幾百公里到數萬公里的距離觀測地球，迅速而大量地收集有關地球大氣、海洋和陸地的各種各樣的電磁輻射信息，直接服務於氣象觀測、軍事偵察和資源考察等方面；人造地球衞星作為空間無線電中繼站，實現了全球衞星通信和廣播，而作為空間基準點，可以進行全球衞星導航和大地測量；利用空間高真空、強輻射和失重等特殊環境，可以在航天器上進行各種重要的科學實驗研究。

飛行器在民用中也已經到了勢在必行的地步了，陸路交通的壓力是人所共知的，特別是在北京，堵車是家常便飯，要解決這些問題有點難，所以，我們希望通過研發一些單人飛行的空氣動力飛行器，來解決這些難題。

航天器分為無人航天器和載人航天器。無人航天器按是否環繞地球運行分為人造地球衞星和空間探測器。通常，航天器分為人造地球衞星、空間探測器和載人航天器，它們按用途和飛行方式還可進一步分類。

簡稱人造衞星，是數量最多的航天器，約佔航天器總數的90%以上。 它按用途分為科學衞星、應用衞星和技術試驗衞星。科學衞星用於科學探測和研究，主要包括空間物理探測衞星和天文衞星等。應用衞星是直接為國民經濟和軍事服務的人造衞星。應用衞星按用途分為通信衞星、氣象衞星、偵察衞星、導航衞星、測地衞星、地球資源衞星、截擊衞星和多用途衞星等。應用衞星按是否專門用於軍事又可分為軍用衞星和民用衞星，有許多應用衞星是軍民兼用的。

又稱深空探測器，按探測目標分為月球探測器、行星探測器和行星際探測器。各種行星和行星際探測器分別用於探測金星、火星、水星、木星、土星和行星際空間。美國1972年 3月發射的“先驅者10號”探測器，在1986年10月越過冥王星的平均軌道，成為第一個飛出太陽系的航天器。

按飛行和工作方式分為載人飛船、航天站和航天飛機。載人飛船包括衞星式載人飛船和登月載人飛船。航天飛機既是航天器又是可重複使用的航天運載器。

國際科學聯合會空間研究委員會(COSPAR)規定，凡進入空間運行軌道的航天器、運載火箭末級和碎片等人造天體均使用統一國際編號。從1957年到1962年12月31日，航天器和其他人造天體的編號是發射年度序號加上希臘字母，後者表示年度內的發射次序。同一次發射的多個人造天體，用附標阿拉伯數字來區別，按它們的亮度或其他指標編排順序。例如，蘇聯第一顆人造衞星的編號是1957-α2，運載火箭末級比衞星亮，編號是1957-α1。由於航天器發射數量日益增加，這種編號方法已不適用。從1963年1月1日起採用新的編號方法，原希臘字母改為三位阿拉伯數字，原附標改為拉丁字母（與阿拉伯數字易混淆的I、O字母不採用），按航天器、運載火箭末級、碎片等次序排列。例如，中國第一顆人造衞星──“東方紅1號”的編號是1970-034A，運載火箭末級的編號是1970-034B。

航天器在天體引力場作用下，基本上按天體力學的規律在空間運動。它的運動方式主要有兩種：環繞地球運行和飛離地球在行星際空間航行。環繞地球運行軌道是以地球為焦點之一的橢圓軌道或以地心為圓心的圓軌道。行星際空間航行軌道大多是以太陽為焦點之一的橢圓軌道的一部分。航天器克服地球引力在空間運行，必須獲得足夠大的初始速度。環繞地球運行的航天器，如人造地球衞星、衞星式載人飛船和航天站等要在預定高度的圓軌道上運行，必須達到這一高度的環繞速度，速度方向與當地水平面平行。在地球表面的環繞速度是7.9公里/秒，稱為第一宇宙速度。高度越高，所需的環繞速度越小。無論速度大於或小於環繞速度，或者速度方向不與當地水平面平行，航天器的軌道一般變成一個橢圓，地心是橢圓的焦點之一。若速度過小或速度方向偏差過大，橢圓軌道的近地點可能降低較多，甚至進入稠密大氣層，不能實現空間飛行。航天器在空間某預定點脱離地球進入行星際飛行必須達到的最小速度叫做脱離速度，又叫逃逸速度。預定點高度不同，脱離速度也不同。在地球表面的脱離速度稱為第二宇宙速度。從地球表面發射飛出太陽系的航天器所需的速度稱為第三宇宙速度（見宇宙速度）。實現恆星際航行則需要更大的速度。

航天器由不同功能的若干分系統（或系統）組成，一般分為專用系統和保障系統兩類。專用系統又稱有效載荷，用於直接執行特定的航天任務；保障系統又稱通用載荷，用於保障專用系統正常工作。

專用系統　不同用途航天器的主要區別在於裝有不同的專用系統。專用系統種類很多，隨航天器執行的任務不同而異。例如，天文衞星的天文望遠鏡、光譜儀和粒子探測器，偵察衞星的可見光照相機、電視攝像機或無線電偵察接收機，通信衞星的轉發器和通信天線，導航衞星的雙頻發射機、高精度振盪器或原子鐘等。單一用途航天器裝有一種類型的專用系統，多用途航天器裝有幾種類型的專用系統。

保障系統　各種類型航天器的保障系統往往是相同或類似的，一般包括以下一些系統：

①結構系統：用於支承和固定航天器上的各種儀器設備，使它們構成一個整體，以承受地面運輸、運載器發射和空間運行時的各種力學和空間環境。結構形式主要有整體結構、密封艙結構、公用艙結構、載荷艙結構和展開結構等。航天器的結構大多采用鋁、鎂、鈦等輕合金和增強纖維複合材料。

②熱控制系統：又稱温度控制系統，用來保障各種儀器設備在複雜的環境中處於允許的温度範圍內。航天器熱控制的措施主要有表面處理（拋光、鍍金或噴刷塗料），包覆多層隔熱材料，使用熱控百葉窗、熱管和電加熱器等。

③電源系統：用來為航天器所有儀器設備提供所需的電能。人造地球衞星大多采用蓄電池電源和太陽電池陣電源系統，空間探測器採用太陽電池陣電源系統或空間核電源，載人航天器大多采用氫氧燃料電池或太陽電池陣電源系統。

④姿態控制系統：用來保持或改變航天器的運行姿態。航天器一般都需要姿態控制，例如使偵察衞星的可見光照相機鏡頭對準地面，使通信衞星的天線指向地球上某一區域等。常用的姿態控制方式有三軸姿態控制、自旋穩定、重力梯度穩定和磁力矩控制等。

⑤軌道控制系統：用來保持或改變航天器的運行軌道。航天器軌道控制以軌道機動發動機提供動力，由程序控制裝置控制或地面航天測控站遙控。軌道控制往往與姿態控制配合，它們構成航天器控制系統。

⑥無線電測控系統：包括無線電跟蹤、遙測和遙控3個部分。跟蹤部分主要有信標機和應答機。它們不斷髮出信號，以便地面測控站跟蹤航天器並測量其軌道。遙測部分主要由傳感器、調製器和發射機組成，用於測量並向地面發送航天器的各種儀器設備的工程參數（工作電壓、温度等）和其他參數（探測儀器測量到的環境數據、敏感器測量到的航天器姿態數據等）。遙控部分一般由接收機和譯碼器組成，用於接收地面測控站發來的遙控指令，傳送給有關係統執行。

⑦返回着陸系統：用於保障返回型航天器安全、準確地返回地面。它一般由制動火箭、降落傘、着陸裝置、標位裝置和控制裝置等組成。在月球或其他行星上着陸的航天器配有着陸系統，其功用和組成與返回型航天器着陸系統類似。

⑧生命保障系統：載人航天器生命保障系統用於維持航天員正常生活所必需的設備和條件，一般包括温、濕度調節、供水供氧、空氣淨化和成分檢測、廢物排除和封存、食品保管和製作、水的再生等設備。

⑨應急救生系統：當航天員在任一飛行階段發生意外時，用以保證航天員安全返回地面。它一般包括救生塔、彈射座椅、分離座艙等救生設備。它們都有獨立的控制、生命保障、防熱和返回着陸等系統。

⑩計算機系統：用於存貯各種程序、進行信息處理和協調管理航天器各系統工作。例如，對地面遙控指令進行存儲、譯碼和分配，對遙測數據作預處理和數據壓縮，對航天器姿態和軌道測量參數進行座標轉換、軌道參數計算和數字濾波等。航天器計算機有單機、雙機和多機系統。

航天器在運動方式、環境與可靠性、控制和系統技術等方面都有顯著的特點。

航天器大多不攜帶飛行動力裝置，在極高真空的宇宙空間靠慣性自由飛行。航天器的運動速度為八到十幾公里每秒，這個速度是由運載器提供的。航天器的軌道是事先按照航天任務來選擇和設計的。有些航天器帶有動力裝置用以變軌或軌道保持。

航天器由運載器發射送入宇宙空間，長期處在高真空、強輻射、失重的環境中，有的還要返回地球或在其他天體上着陸，經歷各種複雜環境。航天器工作環境比航空器環境條件惡劣得多，也比火箭和導彈工作環境複雜。發射航天器需要比自身重幾十倍到上百倍的運載器，航天器入軌後，需要正常工作幾個月、幾年甚至十幾年。因此，重量輕、體積小、高可靠、長壽命和承受複雜環境條件的能力是航天器材料、器件和設備的基本要求，也是航天器設計的基本原則之一。對於載人航天器，可靠性要求更為突出。

絕大多數航天器為無人飛行器，各系統的工作要依靠地面遙控或自動控制。航天員對載人航天器各系統的工作能夠參與監視和控制，但是仍然要依賴於地面指揮和控制。航天器控制主要是藉助地面和航天器上的無線電測控系統配合完成的。航天器工作的安排、監測和控制通常由航天測控和數據採集網或用户台站(網)的中心站的工作人員實施。隨着航天器計算機系統功能的增強，航天器自動控制能力在不斷提高。

航天器運動和環境的特殊性以及飛行任務的多樣性使得它在系統組成和技術方面有許多顯著特點。航天器的電源不僅要求壽命長，比能量大，而且還要功率大，從幾十瓦到幾千瓦。它使用的太陽電池陣電源系統、燃料電池和核電源系統都比較複雜，涉及到半導體和核能等項技術。航天器軌道控制和姿態控制系統不僅採用了很多特有的敏感器、推力器和控制執行機構以及數字計算裝置等，而且應用了現代控制論的新方法，形成為多變量的反饋控制系統。航天器結構、熱控制、無線電測控、返回着陸、生命保障等系統以及多種專用系統都採用了許多特殊材料、器件和設備，涉及到眾多的科學技術領域。航天器的正常工作不僅決定於航天器上各系統的協調配合，而且還與整個航天系統各部分的協調配合有密切關係。航天器以及更復雜的航天系統的研製和管理，都須依靠系統工程的理論和方法。

隨着航天飛機和其他新型空間運輸系統的使用，空間組裝和檢修技術的成熟，人類將在空間建造各種大型的空間系統，例如，直徑上千米的大型光學系統、長達幾公里的巨型天線陣和永久性航天站等。未來航天器的發展和應用主要集中在三個方面：進一步提高從空間獲取信息和傳輸信息的能力，擴大應用範圍；加速試驗在空間環境條件下生產新材料和新產品；探索在空間利用太陽輻射能，提供新能源。從空間獲取信息、材料和能源是航天器發展的長遠目標。