無人太空飛行器

無人太空飛行器是指目前世界上研製與發射的各種類型的人造地球衛星、空間探測器和貨運飛船。用途為太空運行，執行探索、開發、利用太空和天體等特定任務，無人飛行器除了特殊用途需要返回地球外，一般是不回收的。它們在完成特定的航天任務後，一是落入地球大氣層燒毀，一是在太空中漫遊形成太空垃圾。

基本介紹

• 中文名：無人太空飛行器
• 外文名：Unmanned spacecraft
• 分類：人造地球衛星、空間探測器等

用途

無人太空飛行器用於太空運行，執行探索、開發、利用太空和天體等特定任務。它出現使人類的活動範圍從地球大氣層擴大到廣闊無垠的宇宙空間，引起了人類認識自然和改造自然能力的飛躍，對社會經濟和社會生活產生了重大影響。

太空飛行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，開闢了全波段天文觀測；太空飛行器從近地空間飛行到行星際空間飛行，實現了對空間環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；環繞地球運行的太空飛行器從幾百千米到數萬千米的距離觀測地球，迅速而大量地收集有關地球大氣、海洋和陸地的各種各樣的電磁輻射信息，直接服務於氣象觀測、軍事偵察和資源考察等方面；人造地球衛星作為空間無線電中繼站，實現了全球衛星通信和廣播，而作為空間基準點，可以進行全球衛星導航和大地測量；利用空間高真空、強輻射和失重等特殊環境，可以在太空飛行器上進行各種重要的科學實驗研究。

分類

無人太空飛行器可分為人造地球衛星、空間探測器和貨運飛船。人造地球衛星又可以分為科學衛星、套用衛星和技術實驗衛星，空間探測器可以分為月球探測器、衛星和行星際探測器。

組成部分

太空飛行器在宇宙空間運動，是由於天體引力場的作用，它的速度是由發射的運載器提供的，根據不同的任務，可選擇和設計不同的軌道。大多數太空飛行器不帶飛行動力裝置，它一般由專用系統（有效載荷，不同用途的太空飛行器裝有不同的專用艙）和保障系統（包括結構系統、電源系統、姿態控制系統、無線電測控系統、生命保障系統、應急救生系統、返回著陸系統等）組成。

無人太空飛行器結構剖析

專用系統

不同用途太空飛行器的主要區別在於裝有不同的專用系統。專用系統種類很多，隨太空飛行器執行的任務不同而異。例如，天文衛星的天文望遠鏡、光譜儀和粒子探測器，偵察衛星的可見光照相機、電視攝像機或無線電偵察接收機，通信衛星的轉發器和通信天線，導航衛星的雙頻發射機、高精度振盪器或原子鐘等。單一用途太空飛行器裝有一種類型的專用系統，多用途太空飛行器裝有幾種類型的專用系統。

保障系統

各種類型太空飛行器的保障系統往往是相同或類似的，一般包括以下一些系統：

結構系統：用於支承和固定太空飛行器上的各種儀器設備，使它們構成一個整體，以承受地面運輸、運載器發射和空間運行時的各種力學和空間環境。結構形式主要有整體結構、密封艙結構、公用艙結構、載荷艙結構和展開結構等。太空飛行器的結構大多採用鋁、鎂、鈦等輕合金和增強纖維複合材料。

熱控制系統：又稱溫度控制系統，用來保障各種儀器設備在複雜的環境中處於允許的溫度範圍內。太空飛行器熱控制的措施主要有表面處理（拋光、鍍金或噴刷塗料），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：用來為太空飛行器所有儀器設備提供所需的電能。人造地球衛星大多採用蓄電池電源和太陽電池陣電源系統，空間探測器採用太陽電池陣電源系統或空間核電源，載人太空飛行器大多採用氫氧燃料電池或太陽電池陣電源系統。

姿態控制系統：用來保持或改變太空飛行器的運行姿態。太空飛行器一般都需要姿態控制，例如使偵察衛星的可見光照相機鏡頭對準地面，使通信衛星的天線指向地球上某一區域等。常用的姿態控制方式有三軸姿態控制、自旋穩定、重力梯度穩定和磁力矩控制等（見太空飛行器姿態控制）。

軌道控制系統：用來保持或改變太空飛行器的運行軌道。太空飛行器軌道控制以軌道機動發動機提供動力，由程式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控制配合，它們構成太空飛行器控制系統。

無線電測控系統：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機和應答機。它們不斷發出信號，以便地面測控站跟蹤太空飛行器並測量其軌道。遙測部分主要由感測器、調製器和發射機組成，用於測量並向地面傳送太空飛行器的各種儀器設備的工程參數（工作電壓、溫度等）和其他參數（探測儀器測量到的環境數據、敏感器測量到的太空飛行器姿態數據等）。遙控部分一般由接收機和解碼器組成，用於接收地面測控站發來的遙控指令，傳送給有關係統執行。

回著陸系統：用於保障返回型太空飛行器安全、準確地返回地面。它一般由制動火箭、降落傘、著陸裝置、標位裝置和控制裝置等組成。在月球或其他行星上著陸的太空飛行器配有著陸系統，其功用和組成與返回型太空飛行器著陸系統類似。

生命保障系統：載人太空飛行器生命保障系統用於維持航天員正常生活所必需的設備和條件，一般包括溫、濕度調節、供水供氧、空氣淨化和成分檢測、廢物排除和封存、食品保管和製作、水的再生等設備。

應急救生系統：當航天員在任一飛行階段發生意外時，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、分離座艙等救生設備。它們都有獨立的控制、生命保障、防熱和返回著陸等系統。

計算機系統：用於存貯各種程式、進行信息處理和協調管理太空飛行器各系統工作。例如，對地面遙控指令進行存貯、解碼和分配，對遙測數據作預處理和數據壓縮，對太空飛行器姿態和軌道測量參數進行坐標轉換、軌道參數計算和數字濾波等。太空飛行器計算機有單機、雙機和多機系統。

運行原理

天器在天體引力場作用下，基本上按天體力學的規律在空間運動。它的運動方式主要有兩種：環繞地球運行和飛離地球在行星際空間航行。環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。太空飛行器克服地球引力在空間運行，必須獲得足夠大的初始速度。環繞地球運行的太空飛行器，如人造地球衛星、衛星式載人飛船和空間站等要在預定高度的圓軌道上運行，必須達到這一高度的環繞速度，速度方向與當地水平面平行。在地球表面的環繞速度是7.9千米/秒，稱為第一宇宙速度。高度越高，所需的環繞速度越小。無論速度大於或小於環繞速度，或者速度方向不與當地水平面平行，太空飛行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，甚至進入稠密大氣層，不能實現空間飛行。太空飛行器在空間某預定點脫離地球進入行星際航行必須達到的最小速度叫做脫離速度或逃逸速度。預定點高度不同，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。從地球表面發射飛出太陽系的太空飛行器所需的速度稱為第三宇宙速度。實現恆星際航行則需要更大的速度。

無人太空飛行器

運動方式

太空飛行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。太空飛行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。太空飛行器的軌道是事先按照航天任務來選擇和設計的。有些太空飛行器帶有動力裝置用以變軌或軌道保持。

運行安全

太空飛行器由運載器發射送入宇宙空間，長期處在高真空、強輻射、失重的環境中，有的還要返回地球或在其他天體上著陸，經歷各種複雜環境。太空飛行器工作環境比航空器環境條件惡劣得多，也比火箭和飛彈工作環境複雜。發射太空飛行器需要比自身重幾十倍到上百倍的運載器，太空飛行器入軌後,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、長壽命和承受複雜環境條件的能力是太空飛行器材料、器件和設備的基本要求，也是太空飛行器設計的基本原則之一。對於載人太空飛行器，可靠性要求更為突出。

控制技術

絕大多數太空飛行器為無人飛行器，各系統的工作要依靠地面遙控或自動控制。航天員對載人太空飛行器各系統的工作能夠參與監視和控制，但是仍然要依賴於地面指揮和控制。太空飛行器控制主要是藉助地面和太空飛行器上的無線電測控系統配合完成的。太空飛行器工作的安排、監測和控制通常由航天測控和數據採集網或用戶台站(網)的中心站的工作人員實施。隨著太空飛行器計算機系統功能的增強，太空飛行器自動控制能力在不斷提高。

系統技術

太空飛行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、燃料電池和核電源系統都比較複雜，涉及到半導體和核能等項技術。太空飛行器軌道控制和姿態控制系統不僅採用了很多特有的敏感器、推力器和控制執行機構以及數字計算裝置等，而且套用了現代控制論的新方法，形成為多變數的反饋控制系統。太空飛行器結構、熱控制、無線電測控、返回著陸、生命保障等系統以及多種專用系統都採用了許多特殊材料、器件和設備，涉及到眾多的科學技術領域。太空飛行器的正常工作不僅決定於太空飛行器上各系統的協調配合，而且還與整個航天系統各部分的協調配合有密切關係。太空飛行器以及更複雜的航天系統的研製和管理，都須依靠系統工程的理論和方法。

展望

隨著太空梭和其他新型航天運輸系統的使用，空間組裝和檢修技術的成熟，人類將在空間建造各種大型的航天系統，例如，直徑上千米的大型光學系統、長達幾千米的巨型天線陣和永久性空間站等。未來太空飛行器的發展和套用主要集中在三個方面：進一步提高從空間獲取信息和傳輸信息的能力，擴大套用範圍；加速試驗在空間環境條件下生產新材料和新產品；探索在空間利用太陽輻射能，提供新能源。從空間獲取信息、材料和能源是太空飛行器發展的長遠目標。