航天器

1、作用

航天器的出现使人类的活动范围从地球大气层扩大到广阔无垠的宇宙空间，引起了人类认识自然和改造自然能力的飞跃，对社会经济和社会生活产生了重大影响。

航天器在地球大气层以外运行，摆脱了大气层阻碍，可以接收到来自宇宙天体的全部电磁辐射信息，开辟了全波段天文观测；航天器从近地空间飞行到行星际空间飞行，实现了对空间环境的直接探测以及对月球和太阳系大行星的逼近观测和直接取样观测；环绕地球运行的航天器从几百千米到数万千米的距离观测地球，迅速而大量地收集有关地球大气、海洋和陆地的各种各样的电磁辐射信息，直接服务于气象观测、军事侦察和资源考察等方面；人造地球卫星作为空间无线电中继站，实现了全球卫星通信和广播，而作为空间基准点，可以进行全球卫星导航和大地测量；利用空间高真空、强辐射和失重等特殊环境，可以在航天器上进行各种重要的科学实验研究。

2、分类

航天器具有多种分类方法，即可以按照其轨道性质、科技特点、质量大小、应用领域进行分类。按照应用领域进行分类。是使用最广泛的航天器分类法。

航天器分为军用航天器、民用航天器和军民两用航天器，这三种航天器都可以分为无人航天器和载人航天器。无人航天器分为人造地球卫星、空间探测器和货运飞船。载人航天器分为载人飞船、空间站和航天飞机、空天飞机。

人造地球卫星分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。科学卫星分为空间物理探测卫星和天文卫星。应用卫星分为通信卫星、气象卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、侦察卫星、预警卫星、海洋监视卫星、截击卫星和多用途卫星等。

空间探测器分为月球探测器、行星及其卫星探测器、行星际探测器和小行星探测器。

3、编号

国际科学联合会空间研究委员会(COSPAR)规定，凡进入空间运行轨道的航天器、运载火箭末级和碎片等人造天体均使用统一国际编号。从1957年到1962年12月31日，航天器和其他人造天体的编号是发射年度序号加上希腊字母，后者表示年度内的发射次序。同一次发射的多个人造天体，用附标阿拉伯数字来区别，按它们的亮度或其他指标编排顺序。例如，苏联第一颗人造卫星的编号是1957-α2，运载火箭末级比卫星亮，编号是1957-α1。由于航天器发射数量日益增加，这种编号方法已不适用。从1963年1月1日起采用新的编号方法，原希腊字母改为三位阿拉伯数字，原附标改为拉丁字母（与阿拉伯数字易混淆的I、O字母不采用），按航天器、运载火箭末级、碎片等次序排列。例如，中国第一颗人造卫星──“东方红1号”的编号是1970-034A，运载火箭末级的编号是1970-034B。

4、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。它的运动方式主要有两种：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。环绕地球运行的航天器，如人造地球卫星、卫星式载人飞船和空间站等要在预定高度的圆轨道上运行，必须达到这一高度的环绕速度，速度方向与当地水平面平行。在地球表面的环绕速度是7.9千米/秒，称为第一宇宙速度。高度越高，所需的环绕速度越小。无论速度大于或小于环绕速度，或者速度方向不与当地水平面平行，航天器的轨道一般变成一个椭圆，地心是椭圆的焦点之一。若速度过小或速度方向偏差过大，椭圆轨道的近地点可能降低较多，甚至进入稠密大气层，不能实现空间飞行。航天器在空间某预定点脱离地球进入行星际航行必须达到的最小速度叫做脱离速度或逃逸速度。预定点高度不同，脱离速度也不同。在地球表面的脱离速度称为第二宇宙速度。从地球表面发射飞出太阳系的航天器所需的速度称为第三宇宙速度。实现恒星际航行则需要更大的速度。

5、系统组成

航天器由不同功能的若干分系统（或系统）组成，一般分为专用系统和保障系统两类。专用系统又称有效载荷，用于直接执行特定的航天任务；保障系统又称通用载荷，用于保障专用系统正常工作。

不同用途航天器的主要区别在于装有不同的专用系统。专用系统种类很多，随航天器执行的任务不同而异。例如，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、高精度振荡器或原子钟等。单一用途航天器装有一种类型的专用系统，多用途航天器装有几种类型的专用系统。

各种类型航天器的保障系统往往是相同或类似的，一般包括以下一些系统：

结构系统

用于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、航天运载器发射和空间运行时的各种力学和空间环境。结构形式主要有整体结构、密封舱结构、公用舱结构、载荷舱结构和展开结构等。航天器的结构大多采用铝、镁、钛等轻合金和增强纤维复合材料。

热控制系统

又称温度控制系统，用来保障各种仪器设备在复杂的环境中处于允许的温度范围内。航天器热控制的措施主要有表面处理（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

电源系统

用来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。

姿态控制系统

用来保持或改变航天器的运行姿态。航天器一般都需要姿态控制，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。常用的姿态控制方式有三轴姿态控制、自旋稳定、重力梯度稳定和磁力矩控制等。

轨道控制系统

用来保持或改变航天器的运行轨道。航天器轨道控制以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，它们构成航天器控制系统。

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。

返回着陆系统

用于保障返回型航天器安全、准确地返回地面。它一般由制动火箭、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。

生命保障系统：载人航天器生命保障系统用于维持航天员正常生活所必需的设备和条件，一般包括温度湿度调节、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。

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。它一般包括救生塔、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。

计算机系统

用于存储各种程序、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储、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。航天器计算机有单机、双机和多机系统。

6、特点

航天器在运动方式、环境与可靠性、控制和系统技术等方面都有显著的特点。

航天器大多不携带飞行动力装置，在极高真空的宇宙空间靠惯性*飞行。航天器的运动速度为八到十几千米每秒，这个速度是由航天运载器提供的。航天器的轨道是事先按照航天任务来选择和设计的。有些航天器带有动力装置用以变轨或轨道保持。

航天器由航天运载器发射送入宇宙空间，长期处在高真空、强辐射、失重的环境中，有的还要返回地球或在其他天体上着陆，经历各种复杂环境。航天器工作环境比航空器环境条件恶劣得多，也比火箭和导弹工作环境复杂。发射航天器需要比自身重几十倍到上百倍的航天运载器，航天器入轨后，需要正常工作几个月、几年甚至十几年。因此，重量轻、体积小、高可靠、长寿命和承受复杂环境条件的能力是航天器材料、器件和设备的基本要求，也是航天器设计的基本原则之一。对于载人航天器，可靠性要求更为突出。

绝大多数航天器为无人飞行器，各系统的工作要依靠地面遥控或自动控制。航天员对载人航天器各系统的工作能够参与监视和控制，但是仍然要依赖于地面指挥和控制。航天器控制主要是借助地面和航天器上的无线电测控系统配合完成的。航天器工作的安排、监测和控制通常由航天测控和数据采集网或用户台站(网)的中心站的工作人员实施。随着航天器计算机系统功能的增强，航天器自动控制能力在不断提高。

航天器运动和环境的特殊性以及飞行任务的多样性使得它在系统组成和技术方面有许多显著特点。航天器的电源不仅要求寿命长，比能量大，而且还要功率大，从几十瓦到几千瓦。它使用的太阳电池阵电源系统、燃料电池和核电源系统都比较复杂，涉及到半导体和核能等项技术。航天器轨道控制和姿态控制系统不仅采用了很多特有的敏感器、推力器和控制执行机构以及数字计算装置等，而且应用了现代控制论的新方法，形成为多变量的反馈控制系统。航天器结构、热控制、无线电测控、返回着陆、生命保障等系统以及多种专用系统都采用了许多特殊材料、器件和设备，涉及到众多的科学技术领域。航天器的正常工作不仅决定于航天器上各系统的协调配合，而且还与整个航天系统各部分的协调配合有密切关系。航天器以及更复杂的航天系统的研制和管理，都需依靠系统工程的理论和方法。

7、展望

随着航天飞机和其他新型航天运输系统的使用，空间组装和检修技术的成熟，人类将在空间建造各种大型的航天系统，例如，直径上千米的大型光学系统、长达几千米的巨型天线阵和永久性空间站等。未来航天器的发展和应用主要集中在三个方面：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。从空间获取信息、材料和能源是航天器发展的长远目标。