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嘉年华论坛|嘉友站 >  回归地球母亲之路——航天飞机的返回技术

发表于 2017-07-19 10:29    IP属地:湖南

热防护问题解决了,返回飞行控制就是下一个挑战。返回的轨迹设计对安全返回起到极大的作用。返回的轨迹必须尽量缩短穿越大气层的时间,以减少暴露于气动加热的时间和降低累计的加热量;又要尽量降低在大气层的飞行速度,以减少气动加热的速率。这是一个很棘手的问题,只有一个很窄的窗口可以同时兼顾较短的飞行时间和较小的飞行速度。
  航天飞机装备有减速火箭,但减速火箭的减速作用是有限的,只能将航天飞机的速度降到不足以维持轨道运行的临界速度以下,以完成脱离地球轨道的动作。减速火箭不能对再入时的高速下降过程起到真正的刹车作用。其实这道理很简单,火箭发射是一个用动能换取位能的过程,返回自然就是用位能换取动能的过程。如果不考虑空气摩擦和燃料消耗的因素,理论上,上升阶段的助推火箭的推力和延续时间该多大,返回阶段的刹车火箭的推力和延续时间也就要多大,这自然是不现实的。
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发表于 2017-07-19 10:29    IP属地:湖南


航天飞机再入过程的地面航迹示意
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发表于 2017-07-19 10:29    IP属地:湖南

再入前,航天飞机尾向前、背朝下倒飞,在指定的离轨时刻,点燃减速火箭约 2.5 分钟,把速度降下约 330 公里/小时,使航天飞机的速度所带来的离心力不再和地球引力相抵,从而开始再入过程,约 27 分钟后开始进入大气层。这一阶段,航天飞机和一块陨石没有太大的差别。从进入大气层开始,航天飞机离着陆还有约 30 分钟。
  减速火箭熄火后,航天飞机开始倒翻筋斗调整姿态,最终头向前、背朝天以约 40 度仰角向前飞行。在进入大气层时,高度约 120 公里,速度约 24 马赫,距离着陆场约 8,150 公里。由于太阳活动和高层大气活动的缘故,航天飞机每次再入的细节总有细微的差异。在再入过程中,动压达到 470 帕时,副翼开始生效,滚转控制火箭关闭;动压达到 940 帕时,襟翼开始生效,俯仰控制火箭关闭;偏航控制火箭一直要到速度减到 3 马赫和 13,720 米高度时才关闭,改由机翼和垂尾的舵面控制。
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发表于 2017-07-19 10:29    IP属地:湖南


左图为橙色曲线带为减速率,可以看出,在 15 到 10 倍音速期间减速最快。左图的蓝色曲线带显示了航天飞机迎角随速度逐步从 40 度减低到2 0 度的情况。右图是航天飞机横滚角度的变化,可以看出,进入大气层时,航天飞机是水平的,马上向右滚转至约 80 度,减速至约 15 倍音速时,向左滚转至约负 80 度, 到10 倍音速时,再向右滚转至约 80 度,此后在约 5 倍音速和 3 倍音速时,再左右滚一遍,最后改平。STS-1 是哥伦比亚号航天飞机的数据
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发表于 2017-07-19 10:30    IP属地:湖南


此为速度和滑翔航程之间的预测
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发表于 2017-07-19 10:30    IP属地:湖南

航天飞机的高度从 93 公里降到 49公 里,速度从 24 马赫降到 11 马赫之间的过程,是著名的通信黑障期,这段时间延续大约 16 分钟,在距离上大概为夏威夷以东约 1,500 公里的东太平洋上空到新奥尔良附近上空之间。这期间的主要挑战是在气动过热、结构受力和耗散过剩的位能动能之间走钢丝。增大航天飞机的仰角无疑有助于减速,但可能导致气动过热和结构受力过度;引入俯角无疑有助于降低高度和结构受力,但增速太多,导致气动过热;所以航天飞机绕机身纵轴左右滚转至大倾角状态,使机翼大大偏离水平而故意导致升力损失,同时又不至于增速太多。在这一阶段,航天飞机的侧倾可以达到近 90 度,但仰角依然为 40 度,以减小气动加热对装载人和设备的机舱上半部的影响。大倾角侧滑有自然转弯的倾向,不加修正的话,开始时对准佛罗里达的肯尼迪航天中心下降的航天飞机,可能最终滑到加拿大的纽芬兰去了,所以航天飞机时不时地要向另一侧滚转,在高空划出高超音速的 S 形。
  一出黑障,航天飞机就出现在大约新奥尔良附近的上空,肯尼迪航天中心的 S 波段雷达就可以截获航天飞机,休斯敦控制中心就可以着手引导着陆了。这时,航天飞机离着陆还有 12 分钟,仰角逐渐减小到 14 度,此时保持适当的高度和动能很重要,太高太快着陆会出危险,太低太慢又可能在飞抵着陆场之前就断了气。航迹控制也非常重要,航天飞机的滑翔性能很糟糕,着陆必须一次成功,没有复飞的机会。离着陆场约 96 公里,速度 2.5 马赫,高度 25,300 米时,地面和航天飞机核对速度、航向、方位,并作必要的校正。离着陆场约 15 公里时,航天飞机进入亚音速。在做完最后一个 S 形后,航天飞机转一个 180 度、直径 10.9 公里的大弯,对准 12.8 公里外的跑道准备着陆,此时高度 3,048 米,速度 537 公里/小时,下滑角 19 度,下沉率 50.8 米/秒,下滑航线对准跑道前方 1.6 公里的地面,航迹必须穿过在水平和垂直方向不超过 300 米见方的一个虚拟空中窗口。高度下降到 500 米时,微波着陆系统帮助航天员对准跑道中线,开始预拉平,下滑角减到 1.5 度,此时速度 574 公里/小时,距离着陆还有 32 秒钟。15 秒钟后,预拉平完成,速度下降到 500 公里/小时,高度 41 米,放下起落架,航天飞机开始感到地面效应。高度 27.4 米时,开始最终拉平,然后以 352-389 公里/小时的速度,在离跑道端线 762 米处主轮接地,前轮在滑跑速度降到 305 公里/小时也接地,滑跑总长 2,743 米。相比之下,以起落性能不佳而著称的米格-21 早期型号,着陆速度“只有”300-320 公里/小时,而波音-747 的着陆速度更是低到 270 公里/小时。
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发表于 2017-07-19 10:30    IP属地:湖南


航天飞机要瞄准这两个虚拟的圆筒之间的夹缝,高度、速度都要正好,否则要么坚持不到跑道,要么冲出跑道
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发表于 2017-07-19 10:30    IP属地:湖南


着陆的最后阶段的航线示意
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发表于 2017-07-19 10:30    IP属地:湖南


在加利福尼亚爱德华空军基地降落的航迹示意
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发表于 2017-07-19 10:31    IP属地:湖南

显然,航天飞机的着陆过程相当复杂,带来的控制问题也很严峻。现代控制系统的具体实现包括计算机硬件软件和接口、各种传感器和执行机构,其理论基础是控制理论。控制理论在本质上是数学的一部分,更具体地说是源于微分方程的一个分支,并融入了随机过程、线性代数、最优化理论、离散系统、人工智能等。中国人一向不怵数学,玩控制理论可以一把一把地甩,但是一个成功的控制系统一定是理论、数据、经验和可靠的硬件软件完美结合的产物。航天飞机再入的黑障期间,地面控制信号不能上传,机载设备也是睁眼瞎,只有陀螺导航系统继续提供航天飞机的三维加速度信号,将这个信号送入一个描述气动减速和高度之间关系的数学模型,就可以实时估计航天飞机的高度,有助于控制高度和滑翔距离。这个模型还提供状态向量的误差协方差矩阵,给出具有 95%可信度的误差范围,使预估和控制更可靠。这里面涉及的数学理论也就是研究生课程水平,但其中包含的对高空大气物理的深刻理解和无数次空间飞行所作的反复实地数据采集,是用时间、心血和金钱实实在在地堆出来的。
  相对来说,理论还是控制系统中较容易的一方面。计算机硬件和系统软件的功能、可靠性和响应速度自然是首先要过的关,然而具体控制软件的设计不是把数学理论编码实现就完事了。数学控制理论都是建立在一定的假定基础上的,计算机仿真受到同样的限制,当实际情况不完全符合假定的条件时,或者部分传感器故障,有时数学解算会出现病态,控制解就要乱套,甚至使系统当机,所以必须有一整套监控程序,制止病态的出现,或迅速切换到另一套控制程序去。即使病态问题解决了,建立在数学模型基础上而且受过仿真验证的控制系统,也必定有一个实际调试的问题。调试不仅使理论贴近实际,也降低控制系统响应对非理想条件的敏感程度。这种调试有时在理论模型上进行,有时通过附加的经验参数实现,这里经验就愈发显得重要。
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