欧洲对飞行器的突破研究论文

【嵌牛导读】： 像鸟儿一样灵活自由的飞翔，一直是人类梦寐以求的理想。人类很早就认识到鸟儿可以根据飞行状态适时调整飞行姿态，以最佳效率完成滑翔、盘旋、攻击等动作。随着飞行器设计对于高机动性、高飞行效率和多任务适应能力等综合设计需求的不断提高，像鸟儿一样高效灵活的智能变形飞行器研究逐渐成为学术界和工程界的研究热点。 【嵌牛鼻子】： 智能  变形飞行器    高效灵活 【嵌牛提问】： 智能变形飞行器的研究进展如何？其关键性技术有什么新近突破？ 【嵌牛正文】： 北大西洋公约组织对智能变形飞行器做出过如下定义：通过局部或整体改变飞行器的外形形状，使飞行器能够实时适应多种任务需求，并在多种飞行环境保持效率和性能最优。由此可见，智能变形飞行器是一种具有飞行自适应能力的新概念飞行器，其研究涉及非定常气动力、时变结构力学、气动伺服弹性力学、智能材料与结构力学、非线性系统动力学、智能感知与控制科学等多个学科前沿和热点，代表了未来先进飞行器的一种发展方向。智能变形飞行器具有巨大的应用前景，以美国航空航天局设想的未来智能变形飞机为例，通过新型智能材料、作动器、传感器和控制系统的综合运用，飞机可以随着外界环境变化，柔顺、平滑、自主地不断改变外形，不仅保持整个飞行过程中的性能最优，更能提高舒适性并降低成本。 正是因为其巨大优势和应用潜能，国内外涌现出了多种多样的智能变形设计理念和尝试，比如自适应机翼、主动柔性机翼、主动气动弹性机翼、智能机翼、智能旋翼、变体飞行器等。本文按照翼面变形方式对来智能变形飞行器的最新进展进行了归类和总结，详细介绍了机翼智能变形的变展长、变弦长、变厚度、变后掠与变弯度等多种实现类型，提炼了智能变形机翼实现的几项关键技术，通过本文介绍可对智能变形飞行器的设计思路及关键技术有更加丰富的认识和了解。 变形机翼的分类与进展 机翼平面形状合理改变可改善飞行器的气动性能。下表列出了机翼参数变化对气动性能的影响，可以看出，通过合理改变机翼形状参数，可以改善飞行器的气动特性和操纵性能，带来增大升力、减小阻力、增大航程与航时等好处，可使飞行器能够高效地完成多种飞行任务。由于机翼形状参数带来的影响多样，机翼变形的设计方式也多种多样。本文针对研究最多的变展长、变弦长、变厚度、变后掠和变弯度等变形形式，分别展开介绍。 1.变展长 展长伸缩是最简单直接的机翼变形方式。展长变化有如下的优点：增大变形飞行器的机翼展长，相当于增大其翼面积和展弦比，可以带来升阻比提高，航程和航时增大的目的；机翼在停放时收缩，可显著减小飞行器的占用面积；当两侧机翼展长不同时，左右升力不对称造成的滚转力矩，可便于飞行器的横航向操纵。 早在1929年，美国设计师Vinent就首次提出了变展长机翼的设计思想，并成功制作试飞了GX-3验证机。1931年，俄国科学家Makhonine设计制作了MAK-10飞机，其展长可从13米增大到21米，改变量超过60%。1947年出现的MAK-123飞机和1972年出现的FS-29飞机均属于变展长飞机，但由于早期的变形机构均过于笨重和庞大而未能得到推广。 “伸缩翼”是近年来新提出的变展长设计理念。2003年美国国防预防研究计划局实施的变形飞机结构项目(MAS)中，伸缩翼就是三种主变形方案之一（其余为折叠机翼与滑动蒙皮机翼，后文详述），该设计以“战斧”巡航导弹为对象，巡航飞行时机翼展开获取最大升力、高速俯冲时翼面收缩提高机动性，但由于翼载荷太大、机翼太薄，伸缩机构无法安置，计划未能推广。西北工业大学的王江华等人对伸缩翼巡航导弹的气动外形进行了优化研究，研究表明，伸缩翼设计可使导弹燃料消耗减少12％，明显提升导弹性能。2007年，马里兰大学的Julie等人以充气伸缩粱当作驱动机构，通过机翼伸缩改变升力和控制滚转，并进行了风洞试验，经试验其展弦比可最大变化230%，升阻比最大可到16，但蒙皮偏软产生的寄生阻力使气动性能受一定影响。 总体看来，变展长机翼仍需解决伸缩机构的结构减重设计、适应高速飞行的机翼降厚度设计、弹性蒙皮的连续密封性设计等一系列问题，距离工程应用仍有一定距离。 2.变弦长 与变展长机翼的控制效果类似，变弦长机翼也是通过机翼变形引起展弦比和翼面积的合理变化，达到优化飞机升阻比、飞行速度和机动性的目的。 变弦长理念的最典型应用就是传统飞机的襟副翼设计，通过丝杆机构驱动襟副翼弦向变形可以显著改善飞机的起降性能及滚转机动性。对于飞机翼面本身，由于存在梁架、油箱等设备干扰或翼型较小、空间不足等问题，变弦长设计的难度很大，国内外相关研究也相对较少。早在1937年，俄国科学家Bakashaev就设计并制作了第一架变弦长飞机RK-1，飞机通过6个弦向可伸缩的相互叠加的机身实现弦长改变，其初代飞机翼面积变化为44%、改进型变化高达135%，验证了通过伸缩机构改变弦长的可行性。 近年来，以美国CRG公司为代表的科技公司，通过使用复合材料及智能材料重新开展变弦长机翼研究。2004年，CRG公司的Perkins等人将压缩比高达400%的形状记忆合金材料用于变弦长设计，实验表明材料经过加热可以达到预期变形量，但由于形状记忆合金不稳定，冷却后无法恢复至原始形态。2005年，CRG公司的Reed等人设计了一种翼肋相互穿插的变弦长机翼，在直流电机和导杆的驱动下，机翼面积可以增大将近80%，但是该设计同样存在机构复杂、表皮材料恢复力太低难以回到变形初始状态的问题。2011年，宾夕法尼亚州立大学的Barbarino等人将可压缩的蜂窝细胞结构应用在直升机叶片的弦向变形设计中，变形蜂窝结构可经受循环驱动、其弦向变形可增大30%左右，此外，值得一提的是设计者通过对柔性蒙皮预拉伸保证了机翼表面的连续光滑性。 在形状记忆合金和复合材料蜂窝结构等新材料新技术的推动下，近年来涌现出了较多的变弦长机翼概念，但面向工程应用，这些新材料的性能稳定性仍有待提升。 3.变厚度 变厚度设计是指在不引起机翼形状明显变化的前提下调整机翼的轮廓线，是一种微幅变形设计。机翼厚度改变可以改善翼型的高低速气动性能，具有避免或延迟附面层分离、控制转捩位置、控制激波从而降低波阻和抑制抖振等优点。 早在1992年，美国的Austin等人就设计了一种基于桁架结构的变厚度机翼，设计者在桁架上布置线位移驱动器，通过激励驱动器，可以调节桁架上各条支杆的长度，从而达到调整翼型厚度、优化气动效率的目的。近年来，加拿大国家研究中心进行了一系列变厚度机翼的理论研究及试验验证工作。2007年，该中心的Coutu等人设计了一种自适应变厚度机翼，机翼由刚体部分、柔性蒙皮和安装在机翼内部的驱动器构成，机翼蒙皮采用碳纤维复合材料制作，具有良好的柔性和足够的支撑刚度，在驱动器的激励下机翼厚度产生变化，并有效提高了机翼的层流效应。2008年，该中心的Andrei等人在机翼上表面厚度方向设计激励装置，通过对17种不同翼型外形进行数值仿真，均得到转捩位置向后延迟的结论，证明周期性驱动激励可应用于转捩控制中。2009年，在Andrei的研究基础上Grigorie设计了一个用于变形控制的自适应神经模糊控制器，控制器根据压力传感器采集的翼型表面压力，计算参考翼型与优化翼型之间的压力变化，首次实现了压力变化和转捩位置的直接关联。此外，2009年，英国布里斯托尔大学的Stephen等人采用压电材料作为驱动器，安装在机翼蒙皮上表面，通电后驱动器产生固定频率振动，从而改变蒙皮表面的边界层流动，风洞试验表明该驱动方法可使机翼阻力降低、升力提高。 变厚度机翼设计，通过对翼型进行微小改变，就可实现调节流场流动、改善气动性能等目的，伴随着压电陶瓷等新型智能材料的发展，必将在未来工程应用中产生更多的应用尝试和更大的经济价值。 4.变后掠 低速飞行时小后掠角有助于提升机翼的效率，高速飞行时大后掠角有助于降低波阻，不同飞行状态后掠角自主变化，成为兼顾高低速不同气动性能的最有效手段。正因为此，变后掠技术也成为最早成熟应用于型号的改变机翼形状技术。 自上世纪40年代至70年代，变后掠技术已成功应用于多种战斗机和轰炸机，如：米格-23、F-14、狂风、B-1B轰炸机等。但早期的变后掠技术因机构及操纵复杂、故障率高、维护困难，且限制了飞机载荷、外型、隐身等性能的提高，逐渐被双三角设计、鸭翼、大边条设计、翼身融合技术所取代。 进入21世纪，随着新材料新技术的发展与运用，变后掠飞行器性能也得到发展和提高。2004年，弗吉尼亚理工大学的Neal等人设计了一种可自适应变形的无人机模型，除了机翼展长能改变17%、机身尾部能压缩12%、机翼能够扭转20°以外，该无人机的后掠角能够从0°变化到40°，风洞实验验证了无人机模型在多种变形形式下的有效性。2006年，佛罗里达大学的Grant等人通过研究海鸥的飞行姿态，设计了一种多节点变后掠微小型飞行器，飞行器机翼的内外翼两部分具有独立的变后掠机构，仿真显示其具有很好的转向能力和抗侧风能力。2013年中国航天空气动力技术研究院的陈钱等人对飞机外翼段大尺度剪切式变后掠方式进行了设计与分析，并通过风洞试验验证变后掠机翼在蒙皮、结构、驱动、控制等方面满足气动特性研究需求，准定常气动特性曲线显示出变后掠机翼的较大气动效益。 最值得一提的是美国NextGen公司针对MAS项目设计的滑动蒙皮变后掠飞机MFX-1，与传统的机翼埋入机身的变后掠方式不同，该飞机的弦长增减可独立于后掠角而改变。2006年MFX-1首飞成功，在185~220km/h的速度下成功将翼展改变30%、翼面积改变40%、后掠角从15°改变到35°，且整个过程不超过15s，试验结果成功证实了飞行器在飞行过程中大面积改变机翼形状的可行性，在变形飞行器的工程应用上具有很强的指导意义。 5.变弯度 机翼产生升力的最基础要素是弯度，改变弯度可以有效地控制机翼表面的气流分离情况，可显著提高飞行器的飞行机动性能，尤其是对于通常处于低雷诺数飞行条件下、性能主要取决于层流边界层流动的低速飞行器。 国内外对变弯度机翼已经开展了许多研究，如1981年任务自适应机翼(MAW)项目中的机械铰链式变弯度机翼、1992年Powers等人在F-111战斗机上安装的机械式变弯曲机翼和2004年马里兰大学的Poonsong等人设计的机械式多关节变弯度机翼。由于机械结构复杂和质量笨重，大多数的变弯度机翼都没有得到推广。 近年来，智能材料和先进制造工艺的发展为变弯度机翼提供了良好的材料和技术基础。2003年，弗吉尼亚大学的Elzey等人设计了一种形状记忆合金驱动的链环式变弯度机翼，在机翼截面内产生很大的弯曲变形。2009年，德州农工大学的Peel等人自制了通过对中央翼盒内的气袋加压驱动机翼前后缘变形的机构，经测试在气袋所能承受的最大压力下，翼型头部最大变形14°、尾部最大变形13°、且变形后蒙皮仍能保持光滑连续。2011年，瑞士结构科技中心的Hasse等人提出了“带肋结构”的概念，并应用于变形机翼设计，设计者通过采用分布式柔性带肋结构代替了传统的铰链结构，具有几何变形大、承载能力高和重量轻等优点，地面试验表明，带肋结构设计可实现翼型从NACA0012到NACA2412之间自主变化。2015年，美国空军实验室的James等人设计了基于“顺从机构”的保形翼面，顺从机构可将智能材料的作动位移放大并传递给前后缘，使翼面操控需要的能量更低，去掉操纵面还使机翼的重量减轻、成本也更低，其试验模型展长为米，在气动载荷作用下弯度变化超过6%、最大升阻比变化约1倍左右。2015年，意大利的Alessandro等人设计了基于“非对称结构”的保形机翼，其设计思路与“顺从机构”相似，也是设计巧妙的传力机构，将作动位移放大传递至前后缘，该设计可有效避免变形产生的局部应力，设计者通过地面试验证明了非对称蜂窝结构自主变形的先进性，并分析了结构的典型失效形式及大变形引起的强非线性响应问题。2015年，英国斯旺西大学的Benjimin等人在生物学的启发下提出了“鱼骨主动弯曲变形”的概念，利用鱼骨结构减小翼型的弦向刚度，实现翼型变弯度控制，风洞试验表明，相同试验条件下，变形翼相对传统机翼的升阻比可提升20%~25%，该概念可应用于固定翼、直升机、风力机以及潮汐泵的叶片设计。2016年，瑞士复合材料及自适应结构实验室的Francesco等人设计了可代替副翼的“增强褶皱蒙皮”机翼，在电流作用下后缘的褶皱蒙皮可伸缩变形并推动尾部上下弯曲，风洞试验表明该设计可提供高频滚转控制力有效替代副翼功能，此外，由于机翼的形状连续该设计可显著减小零升阻力。 目前，国外对变弯度机翼的研究相当重视，伴随着智能材料的发展涌现出了多种多样的设计理念。基于变弯度的保形翼面设计，既可以通过翼面的弯度改变控制气流的分离、提高飞行器的气动性能，又可以通过对不同弦截面设置不同弯度实现翼面的翘曲、控制飞行器的滚转机动，可有效代替襟副翼等控制面，具有较高的应用价值和工程可实现性。 变形机翼的关键技术 根据以上介绍可知，虽然机翼变形的方式多种多样，但是所有变形机翼都离不开大尺度光滑连续的柔性蒙皮结构、轻质高效的变形驱动系统和快速灵敏的传感控制系统。因此，实现机翼变形的关键技术可以归为以下几类： 1.光滑连续的柔性蒙皮技术 变形机翼与常规机翼相比对蒙皮结构提出了新的要求，即蒙皮不仅要保持常规蒙皮重量轻、在面法向刚度大、可以承受并传递气动载荷的特点，同时还要具备足够的光滑连续性和大尺度变形特性。因此，将传统材料和新型材料相结合，在结构设计上进行创新，设计重量、变形能力和承载能力满足变形方案的柔性蒙皮结构，是未来智能变形飞行器设计的一项重要挑战。 2.轻质高效能的变形驱动控制技术 变形机翼的驱动及控制也是智能变形飞行器设计的关键技术之一。智能变形飞行器的驱动装置应具备重量轻、分布式、高效能、响应快、低能耗、易控制等特点。传统的电机和液压驱动方式过于笨重而复杂难以适应设计需求，基于智能材料的新型驱动装置应作为后续发展的重点，比如磁致伸缩驱动器、压电陶瓷驱动器和形状记忆材料驱动器等。 3.适应大变形的分布式传感网络技术 结构智能变形需要实时检测并感知周围环境与自身状态的变化，这就需要机翼上布满可感知各种信息的传感元件，并构成一个分布式的多传感网络系统。传感元件不仅要保证足够的精度和快速响应特性，还必须适应智能变形飞行器大位移大应变的运动特点，这对传感元件和传感网络提出了新的要求，也是未来面临的挑战之一。 智能变形飞行器设计是一项在民用和军用飞行器领域都有广泛应用前景的新技术，可推动新型智能材料、仿生设计、结构优化设计、先进传感技术、多信息融合技术等学科领域的发展，对未来新概念飞行器的预研和技术储备具有深远的意义。本文对智能变形技术的总结归纳，可以为智能变形飞行器领域的设计发展提供相应的参考。

同学，你不要这么直接好吧，我也是在那上课的，也是上网搜就行了，唉，，，木有办法。哈哈。。。这个老师应该会让咱们过吧

关于我们是如何让飞行器一步步实现速度突破的进程如下：

涡扇发动机可以理解为在涡喷发动机外再加一个加压风扇，目的是利用流出的空气吹动尾部低压涡轮风扇，再带动前段的风扇，增加参与燃烧的空气量。原理与坦克发动机的废气涡轮增压器一致。

正是由于加压风扇的作用，空气吸入量增加，在燃烧室内引燃同样数量的燃油，涡扇发动机当中参与燃烧的空气要比涡喷发动机多，喷出的空气动力也就更强。而且由于涡扇发动机排出的空气还要经过低压涡轮机转动，动力通过低压轴传递给加压风扇，以便继续吸入更多空气，因此涡扇发动机虽然空气燃烧量高，但飞行速度并不快。

这就是我们经常看到使用涡扇发动机的第三代、第四代战斗机虽然空中机动能力、瞬间加速性和发动机使用寿命高于使用涡喷发动机的第二代战斗机，但最高飞行速度却不如第二代战斗机。所以表现出来的特性就是：第三代战斗机一般能够以倍音速较长时间巡航飞行，但最快的飞行速度却略逊二代机一筹。

而最大飞行速度究竟是不是未来战斗机追求的目标呢？到了四代机时期，类似气动布局的战机在飞行速度都有了不同程度的提升，由此可见虽然战斗机最快飞行纪录仍然被四五十年前研制的二代机把持着，但科学家们对于提升战绩速度的研发方向始终没有改变。

现有的战斗机大多采用涡轮风扇发动机，其基本工作原理与涡喷发动机类似，用风扇将空气从进气口吸入，在燃烧室内形成高压空气，然后加注燃油、点火，使空气体积瞬间膨胀，然后喷出空气、产生推力。从第三代战斗机开始，为了吸入更多空气，研究人员们就在涡喷发动机进气口位置增加了一个加压风扇，这便是涡扇发动机。

“我知道地球是圆的，因为我看见了圆形；然后，又看到它还是立体的。当我往下看时，……看到印度洋上船舶拖着尾波前进，非洲一些地方出现灌木林火，一场雷电交加的暴风雨席卷了澳大利亚1000英里的地区，呈现出大自然的一幅立体风景画。” 这是航天员在谈到从航天飞机上看地球的情景时的一段描述。航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一，它推动着人类科学技术的进步，使人类活动的领域由大气层内扩展到宇宙空间。航天技术是现代科学技术的结晶，是基础科学和技术科学的集成，航天技术是一个国家科学技术水平的重要标志。航天技术是一门综合性的工程技术，主要包括：制导与控制技术，热控制技术，喷气推进技术，能源技术，空间通信技术，遥测遥控技术，生命保障技术，航天环境工程技术，火箭及航天器的设计、制造和试验技术，航天器的发射、返回和在轨技术等。由多种技术融于一体的航天系统是现代高技术的复杂大系统，不仅规模庞大，技术高新、尖端，而且人力、物力耗费巨大，工程周期长。时至今日，航天技术已被广泛应用到政治、军事、经济和科学探测等领域，已成为一个国家综合国力的象征。人类很早就有遨游太空、征服宇宙的理想。宇宙的星球对人类一直充满着吸引力和神秘感，许多美丽的神话和传说，反映了人类对宇宙的向往和探索空间奥秘的心情。《嫦娥奔月》、《牛郎织女》，以及孙悟空腾云驾雾、一个筋斗十万八千里等。航天飞行的历史是从火箭技术的历史开始的，没有火箭也就没有航天飞行。追溯源头，中国是最早发明火箭的国家。“火箭”这个词在三国时代(公元220～280年)就出现了。不过那时的火箭只是在箭杆前端绑有易燃物，点燃后由弩弓射出，故亦称为“燃烧箭”。• 随着中国古代四大发明之一的火药出现，火药便取代了易燃物，使火箭迅速应用到军事中。公元lO世纪唐末宋初就已经有了火药用于火箭的文字记载，这时的火箭虽然使用了火药，但仍须由弩弓射出。真正靠火药喷气推进而非弩弓射出的火箭的外形被记载于明代茅元仪编著的《武备志》中，见图。这种原始火箭虽然没有现代火箭那样复杂，但已经具有了战斗部(箭头)、推进系统(火药筒)、稳定系统(尾部羽毛)和箭体结构(箭杆)，完全可以认为是现代火箭的雏形。中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用了串联(多级)和并联(捆绑)技术以提高火箭的运载能力。明代史记中记载的“神火飞鸦”就是并联技术的体现；“火龙出水”就是串、并联综合技术的具体运用，如图所示。世界上第一个试图乘坐火箭上天的“航天员”也出现在中国。相传在14世纪末期，中国有位称为“万户”的人，两手各持一大风筝，请他人把自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有47支当时最大的火箭(又称“起火”)。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力来实现“升空”的理想。“万户”的勇敢尝试虽遭失败并献出了生命，但他仍是世界上第一个想利用火箭的力量进行飞行的人。 19世纪末20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物K．3．齐奥尔科夫斯基(~OHCTaHTHH3ayap且oBHq UHOaKOBCKHfi)，R．戈达德(Robert Goddard)，H．奥伯特(Hermann Oberth)。 前苏联科学家齐奥尔科夫斯基一生从事利用火箭技术进行航天飞行的研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明了用多级火箭可以克服地心引力进入太空的论点。 1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。 2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。 3、指出过用新的燃料(原子核分解的能量)来作火箭的动力；并具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的条件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。 4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵来控制火箭，用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火箭等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。 美国的火箭专家、物理学家和现代航天学奠基人之一戈达德博士在1910年开始进行近代火箭的研究工作，他在1919年发表的《达到极大高度的方法》的论文中，阐述了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有7．9 km／s的速度才能克服地球的引力，并研究了利用火箭把有效载荷送至月球的几种可能方案。 德国的奥伯特教授在他1923年出版的《飞向星际空间的火箭》一书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够的推力，便能绕地球轨道飞行。同齐奥尔科夫斯基和戈达德一样，他也对许多推进剂的组合进行了广泛的研究。 在1932年德国发射A2火箭，飞行高度达到3 km。1942年10月3日，德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道导弹¡ª¡ªV¡ª2(A4型)，并于1944年9月6日首次投入作战使用。V-2的成功在工程上实现了19世纪末、20世纪初航天技术先躯者的技术设想，并培养和造就了一大批有实践经验的火箭专家，对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。V-2的设计虽不尽完善，但它却是人类拥有的第一件向地球引力挑战的工具，成为航天技术发展史上的一个重要里程碑。 • 1957年10月4日，前苏联用¡°卫星¡±号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外径O．58 m，外伸4根条形天线，质量83．6 kg，卫星在天上正常工作了3个月。按照今天的标准衡量，前苏联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆球，但它却是世界上第一个人造天体，把人类几千年的梦想变成了现实，为人类开创了航天新纪元，标志着人类活动范围的又一飞跃。 • 1961年4月12日，前苏联成功地发射了第一艘¡°东方号¡±载人飞船，尤里.加加林成为人类第一位航天员，揭开了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新时代。• 1962年8月27日，美国发射的“水手2号”探测器第一次成功飞越金星。• 1969年7月20日，美国N．A．阿姆斯特朗和E．E．奥尔德林乘坐¡°阿波罗11号¡±飞船登月成功，在月球静海西南角着陆，成为涉足地球之外另一天体的首批人员。他们在月球上安放了科学实验装置，拍摄了月面照片，搜集了22虹月球岩石与土壤样品，然后自月面起飞，与指挥舱会合，返回地球。首次实现了人类登上月球的理想。 • 1971年4月19日，前苏联¡°礼炮1号¡±空间站人轨成功，其质量约18 t，总长14 m，轨道高度200～250 km，轨道倾角51．6。，成为人类第一个空间站，完成了有关天体物理学、航天、医学、生物学等方面的科研计划，考察地球资源和进行长期失重条件下的技术实验。• 1972年3月2日，美国发射了木星和深远空间探测器¡°先驱者10号¡±。它携有表明人类信息的镀金铝板，经过11年飞行，于1983年6月越过海王星轨道，而后成为飞离太阳系的第一个人造天体。• 1975年6月8日，前苏联发射了¡°金星9号¡±探测器，实现了在金星表面着陆。• 1975年7月18日，美国¡°阿波罗号¡±飞船与前苏联¡°联盟19号¡±飞船在大西洋上空对接成功(视频资料)。• 1975年8月20日，美国发射了¡°海盗1号¡±探测器，第一次在火星表面着陆成功(视频资料)。• 1977年9月，美国发射了¡°旅行者2号¡±探测器，对天王星、海王星进行探测。• 1981年4月，世界上第一架垂直起飞、水平着陆、可重复使用的美国航天飞机¡°哥伦比亚号¡±试飞成功，标志着航天运载器由一次性使用的运载火箭转向重复使用的航天运载器的新阶段，是航天史上一个重要的里程碑，标志着人类在空间时代又上了一层楼，进入了航天飞机时代。至2000年10月，航天飞机已成功飞行100次。 • 1986年2月，前苏联¡°和平号¡±轨道空间站发射成功，它成为目前人类发射的在轨运行时间最长的载人航天器，在轨运行超过15年。2001年3月23日，¡°和平号¡±轨道空间站被引入大气层销毁，完成了其辉煌的历史使命。 • 目前，更大规模的国际空间站在美国、俄罗斯、加拿大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行在轨组装建设¡­¡­人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门! • 不难看出，从公元10世纪的中国火箭到第二次世界大战的V一2导弹，人类是出于军事需求发展了火箭技术，而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自20世纪40年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋完善。 • 航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星得到了很大发展。至70年代，军、民用卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。 • 回顾近50年来航天技术应用的历程，具有代表性的大事列举如下：• 1958年12月，美国发射了世界上第一颗通信卫星¡°斯科尔号¡±；• 1960年4月，美国先后发射了世界上第一颗气象卫星¡°泰罗斯1号¡±和导航卫星¡°子午仪1B号¡±；• 1963年7月，美国发射了世界上第一颗地球同步轨道通信卫星；• 1964年8月，美国发射了世界上第一颗地球静止轨道通信卫星；• 1965年4月，美国成功地发射了世界上第一颗商用通信卫星¡°国际通信卫星1号¡±，正式为北美与欧洲之间提供通信业务，它标志着通信卫星进入了实用阶段；• 1972年7月，美国发射了世界上第一颗地球资源卫星¡°陆地卫星1号¡±；• 1982年11月，美国航天飞机开始商业性飞行；1984年11月，美国航天飞机成功地施放了两颗卫星并回收了两颗失效的通信卫星，第一次实现了双向运载任务；• 1983年4月，美国发射了世界上第一颗跟踪和数据中继卫星；• 1999年，由66颗小型卫星组网形成的美国¡°铱¡±星全球电话通讯系统建成并投入使用。• 目前，美国的GPS系统和俄罗斯的卫星导航系统已成为全世界各领域普遍应用的定位导航系统，发挥着巨大的作用。• 在我国，继1970年4月24日首颗卫星¡°东方红一号¡±发射成功以来，航天技术的发展和应用也取得了巨大的成就：• 1975年11月，我国第一颗返回式遥感卫星发射成功，并顺利回收；• 1984年4月，我国第一颗静止轨道试验通信卫星发射成功；• 1986年2月，我国第一颗静止轨道实用通信卫星发射成功；• 1988年9月，我国第一颗气象卫星¡°风云一号¡±发射成功；• 至2000年10月，我国¡°长征¡±系列运载火箭已成功发射62次。• 进入20世纪90年代，我国航天技术应用的步伐进一步加快，大容量通信卫星¡°东方红三号¡±、气象卫星¡°风云一号¡±和¡°风云二号¡±以及资源卫星先后发射成功。• 1999年11月20日我国成功发射了第一艘试验飞船¡°神舟号¡±，在载人航天领域迈出了坚实的一步¡­¡­综上可见，从1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功算起，迄今仅40余年，航天技术取得了如此巨大的成就是前所未有的，产生了巨大的社会效益与经济效益。 总之，随着航天技术应用的发展，航天活动已越来越显示出其巨大的军事意义和经济效益，已成为国民经济和国防建设的一个重要组成部分。反过来，这种社会和经济效益又进一步推动着航天技术日新月异的发展。• 航天技术是一门研究和实现如何把航天器送人空间，并在那里进行活动的工程技术。它主要包括航天器、运载工具和地面测控三大部分。为了便于了解，我们首先对航天器进行分类。• 同一个航天器可兼有数种任务，故机械地、绝对地分类，是不可能的。同一类航天器，往往包括了几种系列，而每一系列又可分成数种不同的卫星系统或型号。• 航天器可分为无人航天器与载人航天器两大类。无人航天器按是否绕地球运行又可分为人造地球卫星和宇宙探测器两类。它们又可以进一步按用途分类，如图所示。 • 简称人造卫星，是数量最多的航天器(占90％以上)。它们的轨道长度由i00多公里到几十万公里。按用途它们又可分为： 目前的载人航天器只在近地轨道飞行和从地球到月球的登月飞行。今后将出现可以到达各种星球的载人飞船，以及供人类长期在空间生活和工作的永久性空间站。载人航天器按飞行和工作方式可分为： 可以重复使用的，往返于地面和高度在1000 km以下的近地轨道之间，运送有效载荷的航天器。 3．宇宙探测器 旅行者1号 旅行者2号• 按航天器在轨道上的功能来进行分类，就人造地球卫星而言，可分为观测站、中继站、基准站和轨道武器四类。每一类又包括了各种不同用途的航天器。卫星处在轨道上，对地球来说，它站得高，看得远(视场大)，用它来观察地球是非常有利的。此外，由于卫星在地球大气层以外不受大气的各种干扰和影响，所以用它来进行天文观测也比地面天文观测站更加有利。属于这种功能的卫星有下列几种典型的用途。 在各类应用卫星中侦察卫星发射得最早(1959年发射)，发射的数量也最多。侦察卫星有照相侦察和电子侦察卫星两种。 资源卫星是在侦察卫星和气象卫星的基础上发展而来的。利用星上装载的多光谱遥感器获取地面目标辐射和反射的多种波段的电磁波，然后把它传送到地面，再经过处理，变成关于地球资源的有用资料。它们包括地面的和地下的，陆地的和海洋的等等。海洋卫星的任务是海洋环境预报，包括远洋船舶的最佳航线选择，海洋渔群分析，近海与沿岸海洋资源调查，沿岸与近海海洋环境监测和监视，灾害性海况预报和预警，海洋环境保护和执法管理，海洋科学研究，以及海洋浮标、台站、船舶数据传输，海上军事活动等。• 当然，作为观测站的卫星远不止以上几种，预警卫星、核爆炸探测卫星、天文预测卫星(如美国的“哈勃”太空望远镜)等均属于这一类。虽然它们的功能各有侧重，但基本观测原理都是相似的。2．中继站 利用卫星进行通信和平常的地面通信相比较，具有下列优点： ①通信容量大； ②覆盖面积广； ③通信距离远； ④可靠性高； ⑤灵活性好； ⑥成本低。广播卫星是一种主要用于电视广播的通信卫星。这种广播卫星不需要经过任何中转就可向地面转播或发射电视广播节目，供公众团体或者个人直接接收，因此又称为直播卫星。目前普通的家庭电视机配一架直径不到1m的天线就可以直接接收直播卫星的电视广播节目。跟踪和数据中继卫星是通信卫星技术的一个重大发展。它是利用卫星来跟踪与测量另一颗卫星的位置，其基本思想是把地球上的测控站搬到地球同步轨道上，形成星地测控系统网。 3．基准站 这种卫星是轨道上的测量基准点，所以要求它测轨非常准确。属于这种功能的卫星有：4．轨道武器 这是一种积极进攻的航天器，具有空间防御和空间攻击的职能。它主要包括：不同类型的航天器，其系统的结构、外型和功能干差万别，但是它们的基本系统组成都是一致的。典型航天器都是由不同功能的若干分系统组成的，其基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。 1．有效载荷 用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。有效载荷种类很多，随着飞行任务即航天器功能的不同而异。例如，科学卫星上的粒子探测器，天文观测卫星上的天文望远镜，侦察卫星上的可见光相机、CCD相机、红外探测器、无线电侦察接收机，气象卫星上的可见光和红外扫描辐射仪，地球资源卫星上的电视摄像机、CCD摄像机、主题测绘仪、合成孔径雷达，通信卫星上的转发器和通信天线，生物科学卫星上的种子和培养基等，均属有效载荷。• 单一用途的卫星装有一种类型的有效载荷，而多用途的卫星可以装有几种类型的有效载荷。• 2．保障系统• 用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止，星上所有分系统的正常工作。各种类型航天器的保障系统一般包括下列分系统：(1)结构系统：用于支承和固定航天器上各种仪器设备，使它们构成一个整体，以承受地面运输、运载器发射和空间运行时的各种力学环境(振动、过载、冲击、噪声)以及空间运行环境。对航天器结构的基本要求是重量轻、可靠性高、成本低等，因此航天器的结构大多采用铝、镁、钛等轻合金和碳纤维复合材料等制造。通常用结构质量比，即结构重量占航天器总重量的比例来衡量航天器结构设计和制造水平。 (3)电源系统：用来为航天器所有仪器设备提供所需的电能。现代航天器大多采用太阳电池和蓄电池联合供电系统。 (4)姿态控制系统：用来保持或改变航天器的运行姿态。常用的姿态控制方式有重力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。 (5)轨道控制系统：用来保持或改变航天器的运行轨道。轨道控制往往与姿态控制配合，它们构成航天器控制系统。(6)测控系统：包括遥测、遥控和跟踪三部分。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(212作电压、电流、温度等)和其他参数(环境参数和姿态参数等)。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。跟踪部分主要是信标机和应答机，它们不断发出信号，以便地球测控站跟踪航天器并测量其轨道位置和速度。除了以上基本系统组成外，航天器根据其不同的飞行任务，往往还需要有一些不同功能的专用系统。例如，返回式卫星有回收系统，载人飞船有乘员系统、环境控制与生命保障系统、交会与对接系统，航天飞机有着陆系统等。一个刚体航天器的运动可以由它的位置、速度、姿态和姿态运动来描述。其中位置和速度描述航天器的质心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态运动描述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运动学的观点来说，一个航天器的运动具有6个自由度，其中3个位置自由度表示航天器的轨道运动，另外3个绕质心的转动自由度表示航天器的姿态运动。航天器的控制可以分为两大类，即轨道控制和姿态控制。 1．轨道控制 轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度，有时也称为空间导航，简称导航；轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标，对质心施以控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为制导。轨道控制按应用方式可分为四类。 (1)轨道机动： 指使航天器从一个自由飞行段轨道转移到另一个自由飞行段轨道的控制。例如，地球静止卫星发射过程中为进入地球静止轨道，在其转移轨道的远地点就须进行一次轨道机动。(3)轨道交会：指航天器能与另一个航天器在同一时间以相同速度达到空间同一位置而实施的控制过程。 (4)再人返回控制：指使航天器脱离原来的轨道，返回进入大气层的控制。2．姿态控制 姿态控制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。 姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。这个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣的某个基准，例如地球。 姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向(可称为参考方向)上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指使姿态保持在指定方向，而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。姿态控制通常包括以下几个具体概念。 (1)定向：指航天器的本体或附件(如太阳能电池阵、观测设备、天线等)以单轴或三轴按一定精度保持在给定的参考方向上。此参考方向可以是惯性的，如天文观测；也可以是转动的，如对地观测。由于定向需要克服各种空间干扰以保持在参考方向上，因此需要通过控制加以保持。 (2)再定向：指航天器本体从对一个参考方向的定向改变到对另一个新参考方向的定向。再定向过程是通过连续的姿态机动控制来实现的。 (3)捕获：又称为初始对准，是指航天器由未知不确定姿态向已知定向姿态的机动控制过程。如航天器人轨时，星箭分离，航天器从旋转翻滚等不确定姿态进入对地对日定向姿态；又如航天器运行过程中因故障失去姿态后的重新定姿等。为了使控制系统设计更为合理，捕获一般分粗对准和精对准两个阶段进行。 (4)粗对准：指初步对准，通常须用较大的控制力矩以缩短机动的时间，但不要求很高的定向精度。 (5)精对准：指粗对准或再定向后由于精度不够而进行的修正机动，以保证定向的精度要求。精对准一般用较小的控制力矩。(6)跟踪：指航天器本体或附件保持对活动目标的定向。 (7)搜索：指航天器对活动目标的捕获。 总之，姿态控制是获取并保持航天器在空间定向的过程。例如，卫星对地进行通信或观测，天线或遥感器要指向地面目标；卫星进行轨道控制时，发动机要对准所要求的推力方向；卫星再人大气层时，要求制动防热面对准迎面气流。这些都需要使星体建立和保持一定的姿态。姿态稳定是保持已有姿态的控制，航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。 (1)自旋稳定：卫星等航天器绕其一轴(自旋轴)旋转，依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋稳定常辅以主动姿态控制，来修正自旋轴指向误差。 (2)三轴稳定：依靠主动姿态控制或利用环境力矩，保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。 3．姿态控制与轨道控制的关系 航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制，航天器姿态必须符合要求。也就是说，当需要对航天器进行轨道控制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求，而对航天器的姿态却有要求。航天器控制按控制力和力矩的来源可以分为两大类。 (1)被动控制：其控制力或力矩由空间环境和航天器动力学特性提供，不需要消耗星上能源。 4．主动控制系统的组成 航天器主动控制系统，无论是姿态控制系统还是轨道控制系统，都有两种组成方式。(1)星上自主控制：指不依赖于地面干预，完全由星载仪器实现的控制，其系统结构见图1．4 (2)地面控制：或称星一地大回路控制，指依赖于地面干预，由星载仪器和地面设备联合实现的控制，其结构见图1．5。