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“我知道地球是圆的，因为我看到了一个圆；然后，我看到它还是立体的。当我往下看的时候，...我看到印度洋上的船只拖着尾波，非洲部分地区出现了丛林大火，一场雷暴席卷了1000英里的澳大利亚，呈现出大自然的立体景观。”

这是宇航员在谈论从航天飞机上看到地球时的描述。

空间技术的发展是当今世界最引人注目的事业之一，它推动了人类科技的进步，将人类活动的领域从大气层扩展到了太空。空间技术是现代科学技术的结晶，是基础科学和技术科学的融合。航天技术是一个国家科技水平的重要标志。

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、火箭和航天器设计、制造和试验技术、航天器发射、返回和在轨技术。由多种技术集成而成的航天系统是一个复杂的大型现代高技术系统，不仅规模大、技术含量高、前沿性强，而且耗费巨大的人力物力，工程周期长。今天，空间技术已经广泛应用于政治、军事、经济和科学探索领域，成为一个国家综合国力的象征。

人类早就有了遨游太空、征服宇宙的理想。宇宙这个星球对人类来说一直充满着吸引力和神秘感。许多美丽的神话传说反映了人类对宇宙的向往和探索太空奥秘的心情。嫦娥奔月，牛郎织女，还有孙悟空的腾云驾雾和翻筋斗。

太空飞行的历史始于火箭技术的历史。没有火箭，就不会有太空飞行。追根溯源，中国是第一个发明火箭的国家。“火箭”一词出现在三国时期(公元220-280年)。但当时的火箭只是在箭杆前端绑上易燃物，然后用弩发射，所以也叫“燃箭”。

随着中国古代四大发明之一火药的出现，火药取代了易燃材料，使火箭迅速应用于军事。唐末宋初有文字记载火箭使用火药。这时候的火箭虽然用了火药，但还是要用弩射。明代毛编著的《武北志》中记载了真正由火药推进而不是由弩发射的火箭的形状，如图1.1。

这种原始火箭虽然没有现代火箭复杂，但已经有了弹头(箭)、推进系统(火药桶)、稳定系统(尾翼)和箭体结构(箭杆)，可以认为是现代火箭的雏形。

中华民族不仅发明了火箭，还首次应用串联(多级)和并联(捆绑)技术提高火箭的运载能力。《明史》中记载的“神火飞鸦”就是并行技术的体现；“火龙出水”是串并联一体化技术的具体应用，如图1.2所示。

世界上第一个试图乘火箭飞上天空的“宇航员”也出现在中国。相传在公元14世纪末，中国有一个叫“万户”的人。他一手拿着一个大风筝，让别人把自己绑在一个特制的座位上，座位后面有47个最大的火箭(也叫“火”)。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力实现“升空”的理想。虽然万虎的勇敢尝试失败并献出了生命，但他仍然是世界上第一个想利用火箭的力量飞行的人。

19年末，20世纪初，火箭再次兴盛。随着现代火箭技术和航天飞行的发展，涌现出了许多敢于探索的航天先驱，其中以K.3 .齐奥尔科夫斯基(~ OHCTAHTH3Yap和oBHq UHOaKOBCKHfi)、R .戈达德和H.oberth为代表。

前苏联科学家齐奥尔科夫斯基一生致力于利用火箭技术进行太空飞行的研究。在他的经典著作中，深刻论证了火箭飞行的思想，最早从理论上证明了多级火箭可以克服重力进入太空的论点。

1，建立了火箭运动的基本数学方程，奠定了航天学的基础。

2.首先肯定了液体火箭发动机是最适合航天器的动力装置，探讨了用液氢-液氧作为火箭推进剂的可能性，为运载火箭的发展指明了方向。这些观点在短短几十年间就变成了现实。

3.指出新燃料(核分解的能量)已被用作火箭的动力；详细阐述了用火箭进行太空飞行的条件、火箭从地面起飞的条件以及飞往其他星球必须建立中间站的设想。

4.提出了许多技术建议，如用燃气舵控制火箭，用泵把推进剂压入燃烧室，用仪器自动控制火箭等，对现代火箭和航天的发展起了很大的作用。

戈达德博士，美国火箭专家、物理学家，现代航天学的奠基人之一，于1910年开始研究现代火箭。他在1919发表的论文《达到极高高度的方法》中，阐述了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须有7.9 km/s的速度才能克服地球引力，并且

德国教授奥贝特在1923出版的《通往星际空间的火箭》一书中，不仅确立了火箭在太空真空中工作的基本原理，还解释了只要能产生足够的推力，火箭就能绕地球运行。像齐奥尔科夫斯基和戈达德一样，他也对许多推进剂组合进行了广泛的研究。

1932年，德国发射A2火箭，飞行高度3 km。1942 10 10月3日，德国成功发射第一枚弹道导弹V？2(A4型)，9月6日首次投入运营，1944。

V-2的成功实现了19年底和20世纪初航天技术先驱的技术设想，培养和造就了一大批具有实践经验的火箭专家，为现代大型火箭的发展发挥了重要作用。虽然V-2的设计并不完美，但它是人类拥有的第一个挑战地球引力的工具，成为航天技术发展史上的一个重要里程碑。

1957 10 10月4日，前苏联使用？卫星？世界上第一颗人造地球卫星由运载火箭“X”送入太空。该卫星为球形，外径为0.58米，有四个条形天线，质量为83.6公斤。这颗卫星在天空中正常工作了三个月。按照今天的标准，前苏联的第一颗卫星只是一个伸出发射天线的球体，但它是世界上第一个人造天体，它将人类几千年的梦想变成了现实，为人类开创了一个新的太空时代，标志着人类活动范围的又一次飞跃。

19614月12日，前苏联成功下水首舰？东方人？载人飞船，尤里·加加林成为首位人类航天员，拉开了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新纪元。

1962年8月27日，美国发射的水手2号首次成功飞越金星。

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？飞船成功登月，降落在月球静海西南角，成为第一批踏上地球以外另一个天体的人员。他们在月球上放置了科学实验装置，拍摄了月球表面的照片，收集了22个月球岩石和土壤的彩虹样本，然后从月球表面起飞，加入指令舱，返回地球。人类登上月球的理想首次实现了。

1971 4月19，前苏联？致敬1？空间站成功载人，质量约18 t，全长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，完成了天体物理、航天、医学、生物学等方面的科研计划，考察了地球资源，进行了长期失重条件下的技术实验。

1972年3月2日，美国发射木星和深空探测器？先锋10？。它携带了一个显示人类信息的镀金铝板。在飞行了11年后，于1983年6月穿越海王星轨道，随后成为第一个飞离太阳系的人造天体。

1975年6月8日，前苏联发射？金星9？探测器降落在金星表面。

1975美国7月18？阿波罗？飞船和前苏联？联盟19？飞船在大西洋上空成功对接(视频资料)。

1975年8月20日，美国推出？海盗1？探测器首次成功着陆火星表面(视频资料)。

1977年9月，美国推出？旅行者2号？+/-探测器探测天王星和海王星。

1981 4月，世界上第一架可重复使用的美国航天飞机垂直起飞，水平降落？哥伦比亚？试飞成功标志着航天运载火箭从一次性运载火箭向可重复使用航天运载火箭转变的新阶段。这是航天史上的一个重要里程碑，标志着人类在航天时代更上一层楼，进入了航天飞机时代。到2000年6月，航天飞机已经成功飞行了65，438+000次。

1986二月，前苏联？米尔？轨道空间站发射成功，成为目前人类发射时间最长的载人飞船，在轨运行时间超过15年。2006年3月23日5438+0，Mir？轨道空间站被引入大气层并被摧毁，完成了它辉煌的历史使命。

目前，在美国、俄罗斯、加拿大、日本、意大利和欧洲航天局的合作下，一个更大规模的国际空间站正在轨道上组装。

人类就是以如此快的速度在敲打着宇宙的大门！

不难看出，从10世纪的中国火箭，到二战的V-12导弹，人类为了军事需要而发展火箭技术，为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自20世纪40年代以来，空间技术一直以惊人的速度发展，并日益完善。我们可以坚信，随着科技的进步和工业基础的不断加强，航天技术将会取得更大的突破，变得更加完善。

空间技术从50年代末的研究和实验阶段发展到70年代中期，达到了广泛实际应用的阶段。自60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学和应用卫星有了很大发展。到70年代，军用和民用卫星全面进入应用阶段。一方面专门从事侦察、通信、导航、预警、气象、大地测量、海洋、天文观测和地球资源等方面的研究，另一方面各类卫星也在向多用途、长寿命、高可靠性、低成本的方向发展。

回顾过去50年空间技术的应用，有代表性的事件如下:

1958 18年2月，美国发射了世界上第一颗通信卫星？斯科尔？；

1960年4月，美国发射了世界上第一颗气象卫星？泰罗斯1？还有导航卫星？子午线1B？；

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，美国成功发射世界首颗商业通信卫星？Intelsat 1？正式提供北美与欧洲之间的通信服务，标志着通信卫星进入实用阶段；

1972年7月，美国发射了世界上第一颗地球资源卫星？Landsat 1？；

1982 165438+10月，美国航天飞机开始商业飞行；1984 165438+10月，美国航天飞机成功释放两颗卫星，回收两颗失效通信卫星，首次实现双向运载任务；

1983年4月，美国发射了世界上第一颗跟踪与数据中继卫星；

1999，美国由66颗小卫星组成？铱？卫星全球电话通信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经成为全世界各个领域广泛使用的定位导航系统，发挥着巨大的作用。

在中国，4月24日第一颗卫星之后，1970？东方红一号？自发射成功以来，空间技术的发展和应用取得了巨大成就:

1975 165438+10月，我国首颗返回式遥感卫星成功发射并成功回收；

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？发射是成功的；

到2000年6月10，中国？长征？系列运载火箭已成功发射62次。

90年代，中国空间技术应用步伐进一步加快，大容量通信卫星？东方红三号？，气象卫星？风云一号？然后呢。风云二号？资源卫星已经成功发射。

1999 165438+10月20日，中国成功发射第一艘实验飞船？神舟？载人航天领域迈出了坚实的一步。

综上所述，距离1957年世界上第一颗人造地球卫星成功发射只有40年，空间技术取得如此巨大的成就，产生巨大的社会效益和经济效益，是前所未有的。

总之，随着航天技术应用的发展，航天活动日益显示出其巨大的军事意义和经济效益，已经成为国民经济和国防建设的重要组成部分。反过来，这种社会和经济效益又进一步促进了空间技术的快速发展。

空间技术是研究和实现如何将航天器送入太空并在那里进行活动的工程技术。主要包括三部分:航天器、运载器和地面测控。为了便于理解，我们先对航天器进行分类。

同一个航天器可以有好几个任务，不能机械地、绝对地分类。同一种航天器往往包括几个系列，每个系列又可分为几个不同的卫星系统或型号。

宇宙飞船可分为无人飞船和载人飞船。无人飞船根据是否绕地球轨道运行，可分为人造地球卫星和太空探测器。还可以按用途进一步分类，如图1.3所示。

人造卫星是数量最多的航天器(占90%以上)。它们的轨道长度从100多公里到几十万公里不等。根据用途，它们可以分为:

目前载人飞船只在近地轨道飞行，从地球飞到月球。将来会有可以到达各种星球的载人飞船和永久空间站，供人类在太空长期生活和工作。载人飞船可分为:

一种可重复使用的航天器，在地面和近地轨道之间穿梭，高度在1000 km以下，运输有效载荷。

3.太空探测器

旅行者1旅行者2号

根据航天器在轨道上的功能，人造地球卫星可分为四类:观测站、中继站、参考站和轨道武器。每一类都包括不同用途的航天器。

卫星在轨道上。对于地球来说，站得高，看得远(大视野)。用它来观察地球是非常有益的。此外，由于卫星不受地球大气层外大气的各种干扰和影响，用它进行天文观测比地面天文台更有优势。具有这种功能的卫星有以下典型用途。

在各类应用卫星中，侦察卫星发射最早(1959)，发射数量最多。侦察卫星有两种:照相侦察和电子侦察卫星。

资源卫星是在侦察卫星和气象卫星的基础上发展起来的。卫星上的多光谱遥感器用于获取地面目标辐射和反射的各种波段的电磁波，然后传输到地面，再处理成地球资源的有用信息。它们包括地面和地下、陆地和海洋等。

海洋卫星的任务是海洋环境预报，包括远洋船舶最佳航线选择、海洋鱼类资源分析、近海和沿岸海洋资源调查、沿岸和近海海洋环境监测监视、灾害性海况预测预警、海洋环境保护和执法、海洋科学研究、海洋浮标、站船数据传输、海上军事活动等。

当然还有更多卫星作为观测站，比如预警卫星、核爆探测卫星、天文预测卫星(比如美国的哈勃太空望远镜)。虽然它们的作用不同，但基本的观察原理是相似的。

2.中继站

与普通地面通信相比，卫星通信有以下优点:

①通信容量大；

②覆盖范围广；

③通信距离长；

④可靠性高；

⑤柔韧性好；

⑥成本低。

广播卫星是一种主要用于电视广播的通信卫星。这种广播卫星可以向地面广播或传送电视节目，无需任何中转，供公共组织或个人直接接收，因此也被称为直播卫星。目前，一台天线直径小于1m的普通家用电视机可以直接接收直播卫星的电视广播节目。

跟踪与数据中继卫星是通信卫星技术的重要发展。它利用卫星跟踪测量另一颗卫星的位置，其基本思想是将地球上的监测站移到地球同步轨道上，形成星地监测系统网络。

3.参证站

这种卫星是在轨测量的参考点，要求对轨道的测量非常精确。属于这一功能的卫星有:

4.轨道武器

这是一种主动攻击航天器，具有空间防御和空间攻击的功能。主要包括:

不同类型的航天器在结构、外观和功能上有不同的系统，但它们的基本系统组成是相同的。典型的航天器由几个功能不同的子系统组成，其基本系统一般分为两类:有效载荷和支持系统。

1.有效载荷

用于直接完成特定空间任务的部件、仪器或子系统。

有效载荷有很多种，随任务不同而不同，也就是航天器功能不同。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、红外探测器和无线电侦察接收机、气象卫星上的可见光和红外扫描辐射计、电视相机、CCD相机、专题测绘仪、地球资源卫星上的合成孔径雷达、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。都是有效载荷。

单用途卫星可以携带一种类型的有效载荷，而多用途卫星可以携带几种类型的有效载荷。

2.保障体系

用于保证飞船上所有分系统从火箭起飞到工作寿命结束的正常工作。各种类型航天器的支持系统一般包括以下子系统:

(1)结构系统:用于支撑和固定航天器上的各种仪器设备，使它们形成一个整体，以承受地面运输、运载器发射和空间运行过程中的各种力学环境(振动、过载、冲击、噪声)和空间运行环境。对航天器结构的基本要求是重量轻、可靠性高、成本低，所以大多数航天器结构由铝、镁、钛等轻合金和碳纤维复合材料制成。通常用结构质量比，即结构重量与航天器总重量的比值来衡量航天器的结构设计和制造水平。

(3)电源系统:用于为航天器的所有仪器设备提供所需的电能。现代航天器大多采用太阳能电池和蓄电池的组合供电系统。

(4)姿态控制系统:用于维持或改变航天器的运行姿态。常用的姿态控制方法有重力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。

(5)轨道控制系统:用于维持或改变航天器的轨道。轨道控制往往与姿态控制结合在一起，构成航天器控制系统。

(6)测控系统:包括遥测、遥控和跟踪。遥测部分主要由传感器、调制器和发射机组成，用于测量和发送工程参数(电压、电流、温度等212。)和其他参数(环境参数和姿态参数等。)飞船的各种仪器设备运到地面。遥控部分一般由接收机和解码器组成，用于接收地面监控站发送的遥控指令，并传送给相关系统执行。跟踪部分主要是信标和应答机，不断发出信号，以便地球测控站跟踪航天器，测量其轨道位置和速度。

除了上述基本系统部件外，航天器还常常需要一些特殊的系统，根据其不同的任务具有不同的功能。比如返回式卫星有回收系统，载人飞船有乘员系统，环境控制和生命保障系统，交会对接系统，航天飞机有着陆系统。

刚体航天器的运动可以用它的位置、速度、姿态和姿态运动来描述。其中，位置和速度描述了航天器质心的运动，属于航天器的轨道问题；姿态和姿态运动描述的是航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运动学的角度来看，航天器的运动有六个自由度，其中三个位置自由度代表航天器的轨道运动，另外三个绕质心转动的自由度代表航天器的姿态运动。

航天器控制可分为两类，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。定轨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。轨道控制是根据航天器的现有位置、速度和最终目标，对质心施加控制力以改变其轨迹的技术，有时称为制导。

根据应用模式，轨道控制可分为四类。

(1)轨道机动:

指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，为了在发射地球静止卫星期间进入地球静止轨道，需要在其转移轨道的远地点进行轨道机动。

(3)轨道交会:是指一个航天器和另一个航天器能够同时以相同的速度到达太空中同一位置的控制过程。

(4)再入控制:指对航天器离开原轨道返回大气层的控制。

2.姿态控制

姿态控制还包括姿态确定和姿态控制。

姿态确定是确定航天器相对于某一基准的姿态的方法。这个参照物可以是惯性参照物，也可以是人们感兴趣的参照物，比如地球。

姿态控制是航天器在指定或预定方向(可称为参考方向)上定向的过程，包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指保持姿态在指定方向，而姿态机动是指航天器从一种姿态到另一种姿态的重定向过程。

姿态控制通常包括以下具体概念。

(1)方位:指航天器的机体或附件(如太阳电池阵、观测设备、天线等。)在单轴或三轴中以一定的精度保持在给定的参考方向上。这个参考方向可以是惯性的，比如天文观测；也可以是旋转的，比如对地观测。因为方位需要克服各种空间干扰才能保持在参考方向，所以需要通过控制来维持。

(2)重定向:指航天器本体的方位从一个参考方向改变到另一个新的参考方向。重定向过程通过连续的姿态机动控制来实现。

(3)捕获:又称初始对准，是指航天器从未知的不确定姿态到已知的定向姿态的机动控制过程。比如飞船在轨时，星箭分离，飞船从旋转、翻滚等不确定姿态进入地对日定向姿态；另一个例子是航天器在运行过程中由于故障而失去姿态后的姿态重新确定。为了使控制系统设计更加合理，采集一般分为粗对准和精对准两个阶段。

(4)粗对准:指初始对准，通常需要较大的控制力矩来缩短机动时间，但对定向精度要求不高。

(5)精对准:指由于精度不够保证定向的精度要求而进行粗对准或重定位后的校正机动。一般来说，小的控制扭矩用于精确对准。

(6)跟踪:指航天器本体或附件保持运动目标的方位。

(7)搜索:指航天器对运动目标的捕捉。

总之，姿态控制是一个获取并保持航天器在空间方位的过程。比如卫星通信或观测地球，天线或遥感器要对准地面目标；卫星在轨控制时，发动机要对准要求的推力方向；当卫星重返大气层时，需要将防热表面制动为准迎面而来的气流。这些都需要让明星建立并保持一定的姿态。

姿态稳定是保持现有姿态的控制。根据航天器姿态运动的形式，航天器姿态稳定方法大致可以分为两类。

(1)自旋稳定性:卫星等航天器绕一个轴(自旋轴)旋转，自旋轴在惯性空间中的方位由转动的动量矩维持。尾旋稳定通常由主动姿态控制来补充，以修正尾旋轴的指向误差。

(2)三轴稳定:通过主动姿态控制或利用环境力矩，使航天器本体的三个正交轴保持在参考空间方向。

3.姿态控制与轨道控制的关系。

航天器是一个复杂的控制对象。一般来说，轨道控制与姿态控制密切相关。为了实现轨道控制，航天器的姿态必须满足要求。也就是说，当航天器需要轨道控制时，也需要姿态控制。姿态控制和轨道控制在某些特定情况下或者在某些飞行过程中可以分开考虑。有些应用任务对航天器的轨道没有严格要求，但对航天器的姿态有要求。

根据控制力和力矩的来源，航天器控制可分为两类。

(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，不消耗星上能量。

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，都有两个组成部分。

(1)机载自主控制:指完全由机载仪表实现的控制，无需地面干预，其系统结构如图1.4所示。

(2)地面控制:或称“卫星-地面大回路控制”，是指依靠地面干预，由机载仪器和地面设备结合实现的控制，其结构如图1.5所示。