[科普中國]-無人航天器

用途

無人航天器用于太空運行，執(zhí)行探索、開發(fā)、利用太空和天體等特定任務(wù)。它出現(xiàn)使人類的活動范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(rèn)識自然和改造自然能力的飛躍，對社會經(jīng)濟和社會生活產(chǎn)生了重大影響2。

航天器在地球大氣層以外運行，擺脫了大氣層阻礙，可以接收到來自宇宙天體的全部電磁輻射信息，開辟了全波段天文觀測；航天器從近地空間飛行到行星際空間飛行，實現(xiàn)了對空間環(huán)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(huán)繞地球運行的航天器從幾百千米到數(shù)萬千米的距離觀測地球，迅速而大量地收集有關(guān)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(wù)于氣象觀測、軍事偵察和資源考察等方面；人造地球衛(wèi)星作為空間無線電中繼站，實現(xiàn)了全球衛(wèi)星通信和廣播，而作為空間基準(zhǔn)點，可以進(jìn)行全球衛(wèi)星導(dǎo)航和大地測量；利用空間高真空、強輻射和失重等特殊環(huán)境，可以在航天器上進(jìn)行各種重要的科學(xué)實驗研究。

分類無人航天器可分為人造地球衛(wèi)星、空間探測器和貨運飛船。人造地球衛(wèi)星又可以分為科學(xué)衛(wèi)星、應(yīng)用衛(wèi)星和技術(shù)實驗衛(wèi)星，空間探測器可以分為月球探測器、衛(wèi)星和行星際探測器3。

組成部分航天器在宇宙空間運動，是由于天體引力場的作用，它的速度是由發(fā)射的運載器提供的，根據(jù)不同的任務(wù)，可選擇和設(shè)計不同的軌道。大多數(shù)航天器不帶飛行動力裝置，它一般由專用系統(tǒng)（有效載荷，不同用途的航天器裝有不同的專用艙）和保障系統(tǒng)（包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、無線電測控系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、應(yīng)急救生系統(tǒng)、返回著陸系統(tǒng)等）組成2。

專用系統(tǒng)不同用途航天器的主要區(qū)別在于裝有不同的專用系統(tǒng)。專用系統(tǒng)種類很多，隨航天器執(zhí)行的任務(wù)不同而異。例如，天文衛(wèi)星的天文望遠(yuǎn)鏡、光譜儀和粒子探測器，偵察衛(wèi)星的可見光照相機、電視攝像機或無線電偵察接收機，通信衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器和通信天線，導(dǎo)航衛(wèi)星的雙頻發(fā)射機、高精度振蕩器或原子鐘等。單一用途航天器裝有一種類型的專用系統(tǒng)，多用途航天器裝有幾種類型的專用系統(tǒng)。

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

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：用于支承和固定航天器上的各種儀器設(shè)備，使它們構(gòu)成一個整體，以承受地面運輸、運載器發(fā)射和空間運行時的各種力學(xué)和空間環(huán)境。結(jié)構(gòu)形式主要有整體結(jié)構(gòu)、密封艙結(jié)構(gòu)、公用艙結(jié)構(gòu)、載荷艙結(jié)構(gòu)和展開結(jié)構(gòu)等。航天器的結(jié)構(gòu)大多采用鋁、鎂、鈦等輕合金和增強纖維復(fù)合材料。

熱控制系統(tǒng)：又稱溫度控制系統(tǒng)，用來保障各種儀器設(shè)備在復(fù)雜的環(huán)境中處于允許的溫度范圍內(nèi)。航天器熱控制的措施主要有表面處理（拋光、鍍金或噴刷涂料），包覆多層隔熱材料，使用熱控百葉窗、熱管和電加熱器等。

電源系統(tǒng)：用來為航天器所有儀器設(shè)備提供所需的電能。人造地球衛(wèi)星大多采用蓄電池電源和太陽電池陣電源系統(tǒng)，空間探測器采用太陽電池陣電源系統(tǒng)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(tǒng)。

姿態(tài)控制系統(tǒng)：用來保持或改變航天器的運行姿態(tài)。航天器一般都需要姿態(tài)控制，例如使偵察衛(wèi)星的可見光照相機鏡頭對準(zhǔn)地面，使通信衛(wèi)星的天線指向地球上某一區(qū)域等。常用的姿態(tài)控制方式有三軸姿態(tài)控制、自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定和磁力矩控制等（見航天器姿態(tài)控制）。

軌道控制系統(tǒng)：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(fā)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(tài)控制配合，它們構(gòu)成航天器控制系統(tǒng)。

無線電測控系統(tǒng)：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(biāo)機和應(yīng)答機。它們不斷發(fā)出信號，以便地面測控站跟蹤航天器并測量其軌道。遙測部分主要由傳感器、調(diào)制器和發(fā)射機組成，用于測量并向地面發(fā)送航天器的各種儀器設(shè)備的工程參數(shù)（工作電壓、溫度等）和其他參數(shù)（探測儀器測量到的環(huán)境數(shù)據(jù)、敏感器測量到的航天器姿態(tài)數(shù)據(jù)等）。遙控部分一般由接收機和譯碼器組成，用于接收地面測控站發(fā)來的遙控指令，傳送給有關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行。

回著陸系統(tǒng)：用于保障返回型航天器安全、準(zhǔn)確地返回地面。它一般由制動火箭、降落傘、著陸裝置、標(biāo)位裝置和控制裝置等組成。在月球或其他行星上著陸的航天器配有著陸系統(tǒng)，其功用和組成與返回型航天器著陸系統(tǒng)類似。

生命保障系統(tǒng)：載人航天器生命保障系統(tǒng)用于維持航天員正常生活所必需的設(shè)備和條件，一般包括溫、濕度調(diào)節(jié)、供水供氧、空氣凈化和成分檢測、廢物排除和封存、食品保管和制作、水的再生等設(shè)備。

應(yīng)急救生系統(tǒng)：當(dāng)航天員在任一飛行階段發(fā)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(shè)備。它們都有獨立的控制、生命保障、防熱和返回著陸等系統(tǒng)。

計算機系統(tǒng)：用于存貯各種程序、進(jìn)行信息處理和協(xié)調(diào)管理航天器各系統(tǒng)工作。例如，對地面遙控指令進(jìn)行存貯、譯碼和分配，對遙測數(shù)據(jù)作預(yù)處理和數(shù)據(jù)壓縮，對航天器姿態(tài)和軌道測量參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、軌道參數(shù)計算和數(shù)字濾波等。航天器計算機有單機、雙機和多機系統(tǒng)。

運行原理天器在天體引力場作用下，基本上按天體力學(xué)的規(guī)律在空間運動。它的運動方式主要有兩種：環(huán)繞地球運行和飛離地球在行星際空間航行。環(huán)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(huán)繞地球運行的航天器，如人造地球衛(wèi)星、衛(wèi)星式載人飛船和空間站等要在預(yù)定高度的圓軌道上運行，必須達(dá)到這一高度的環(huán)繞速度，速度方向與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?。在地球表面的環(huán)繞速度是7.9千米/秒，稱為第一宇宙速度。高度越高，所需的環(huán)繞速度越小。無論速度大于或小于環(huán)繞速度，或者速度方向不與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?，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(jìn)入稠密大氣層，不能實現(xiàn)空間飛行。航天器在空間某預(yù)定點脫離地球進(jìn)入行星際航行必須達(dá)到的最小速度叫做脫離速度或逃逸速度。預(yù)定點高度不同，脫離速度也不同。在地球表面的脫離速度稱為第二宇宙速度。從地球表面發(fā)射飛出太陽系的航天器所需的速度稱為第三宇宙速度。實現(xiàn)恒星際航行則需要更大的速度1。

運動方式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(wù)來選擇和設(shè)計的。有些航天器帶有動力裝置用以變軌或軌道保持。

運行安全航天器由運載器發(fā)射送入宇宙空間，長期處在高真空、強輻射、失重的環(huán)境中，有的還要返回地球或在其他天體上著陸，經(jīng)歷各種復(fù)雜環(huán)境。航天器工作環(huán)境比航空器環(huán)境條件惡劣得多，也比火箭和導(dǎo)彈工作環(huán)境復(fù)雜。發(fā)射航天器需要比自身重幾十倍到上百倍的運載器，航天器入軌后,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、長壽命和承受復(fù)雜環(huán)境條件的能力是航天器材料、器件和設(shè)備的基本要求，也是航天器設(shè)計的基本原則之一。對于載人航天器，可靠性要求更為突出。

控制技術(shù)絕大多數(shù)航天器為無人飛行器，各系統(tǒng)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(tǒng)的工作能夠參與監(jiān)視和控制，但是仍然要依賴于地面指揮和控制。航天器控制主要是借助地面和航天器上的無線電測控系統(tǒng)配合完成的。航天器工作的安排、監(jiān)測和控制通常由航天測控和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)或用戶臺站(網(wǎng))的中心站的工作人員實施。隨著航天器計算機系統(tǒng)功能的增強，航天器自動控制能力在不斷提高。

系統(tǒng)技術(shù)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(tǒng)、燃料電池和核電源系統(tǒng)都比較復(fù)雜，涉及到半導(dǎo)體和核能等項技術(shù)。航天器軌道控制和姿態(tài)控制系統(tǒng)不僅采用了很多特有的敏感器、推力器和控制執(zhí)行機構(gòu)以及數(shù)字計算裝置等，而且應(yīng)用了現(xiàn)代控制論的新方法，形成為多變量的反饋控制系統(tǒng)。航天器結(jié)構(gòu)、熱控制、無線電測控、返回著陸、生命保障等系統(tǒng)以及多種專用系統(tǒng)都采用了許多特殊材料、器件和設(shè)備，涉及到眾多的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。航天器的正常工作不僅決定于航天器上各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，而且還與整個航天系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)配合有密切關(guān)系。航天器以及更復(fù)雜的航天系統(tǒng)的研制和管理，都須依靠系統(tǒng)工程的理論和方法。

展望隨著航天飛機和其他新型航天運輸系統(tǒng)的使用，空間組裝和檢修技術(shù)的成熟，人類將在空間建造各種大型的航天系統(tǒng)，例如，直徑上千米的大型光學(xué)系統(tǒng)、長達(dá)幾千米的巨型天線陣和永久性空間站等。未來航天器的發(fā)展和應(yīng)用主要集中在三個方面：進(jìn)一步提高從空間獲取信息和傳輸信息的能力，擴大應(yīng)用范圍；加速試驗在空間環(huán)境條件下生產(chǎn)新材料和新產(chǎn)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(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo)。