帆船是借助什么力量行驶的怎样控制方向

帆船控制和转向原理：

由于帆的受风力的中心点与船体侧面受水阻力的中心之间有一定的距离，这个力使船横移虽不显著，但使船向下风倾斜的作用却相当显著。就要运动员随时用自己的体重来调节船的重心，以保持船的平衡（常称为“压弦”）。

由于风力的大小随时会变化，横倾力的作用也随之变化。所以压弦是要随时灵活变化的，这是运动员的一种重要的 *** 作技能。

推力在推船前进的同时，同样有一种使船前倾的作用，虽要比横向力使船致倾的作用小得多，但它同样会使船失速，所以运动员还要随时注意可能出现的纵倾，设法通过压弦来保持船的平衡。

改变航向，帆船主要靠舵。帆板则靠帆的位置和重力的中心的转变。当船在行驶时，水流给舵一个垂直航面力的分力能使船产生旋转，另一个分力阻挡船前进。

由于分力对船起阻力作用，所以转向时舵角一般不要推得太大。当然，要完成转向动作，除了舵以外，还要和帆的位置，船员的移动相配合。

帆板的转向，当运动员把能活动的桅杆倒向下风后方，板首就向迎风转，相反把桅杆倒向上风前方，板首就离风偏转。通过桅杆的倒动，移动帆心，使帆板产生了旋转的力矩，从而促使其转向。

扩展资料：

帆船的 *** 控：

一、利用风力的基本动力在水上行驶，并由人来 *** 控改变方向前进。

二、坐着，一手 *** 作舵杆，一手 *** 控悬挂于垂直船身上桅杆的帆面角度，来推进，称为帆船

三、站立，在一块狭长的板子上，用双手 *** 控可以随意改变方向折的帆，称为风浪板。

帆船的结构：

1、前帆(Jib)：主桅杆前面使用的帆。

2、前支索(Headstay(Forestay)：桅杆顶向前船艏拉撑，并可将前帆扣上的钢索。

3、控帆索(Sheet)：主要的控制绳索，可放出或收紧及固定，本图指前帆索。

4、主帆(Mainsail)：升在主桅杆之后的帆。

5、帆骨(Battens)：由帆后缘插入之扁条状物，为维持良好帆形。

6、主帆索(Mainsheet)：控制主帆角度的绳索。

7、帆桁(Boom)：伸长状，用来固定支撑主帆底部用。

8、帆桁下拉索(Boomvang)：把帆桁往下拉紧或支撑的索具，以防帆桁向上举起。

9、桅杆(Mast)：木质的长圆竿或金属柱,通常从船的龙骨或中板上垂直竖起,可以支撑横桁帆下桁、吊杆或斜桁。

10、侧支索(Shrouds)：用来固定桅杆侧向的拉索。

11、中央板(Centerboard)：船体下方可调整吃水深度的板(以轴心为主前后升降式)，迎风航向时，用以保持航向稳定。

12、方向舵(Rudder)：用以控制船行进方向的装置。

参考资料来源：百度百科——帆船

我们知道，对于空间站而言，人的生命保障及安全是最重要的问题。而事实上，高度真空的太空是不具备人类的生存条件的，只好依靠空间站的设计来保证这些条件，这就是空间站的环境控制和生命保障系统，而且要保障的内容是多方面的。

大家知道，在航天活动中，人处于一种密闭的容器中，与地球环境是完全不同的。环境控制和宇航员的生命保障系统的功能就是建立和维持宇航员的生活和工作所必要的最佳的环境条件。如舱内的温度、湿度、总压力以及氧分压及有害气体的控制等，同时供给生命活动所必需的物质如氧气、水、食物等，并能去除生活中所产生的废物。

在空间站的环境控制中，首先需要控制的就是舱内温度。当空间站在空间飞行时，已经没有了大气层的遮挡，太阳的辐射热直接传到空间站上，如果不加控制，它的内部温度很快就会升高，这好比把汽车停在太阳光下，车内温度会快速上升一样。

另一方面，空间站内部的仪器设备的工作要产生热量，尤其有一些大功率的管子，发热量很大。还有宇航员在舱内的活动也要散发热量，同时地球的低温红外辐射也会对空间站产生影响。在这几种热源的影响下，若不加控制，空间站舱内的温度升高及降低会有很大的变化。而在人活动的密封舱内，要求温度在20℃左右的范围内变化，空间站内的各种不同的仪器设备也要求工作在一定的温度范围。这些都要靠空间站的温度控制系统来完成。

空间站内的温度控制手段从大的方面可以分为被动式和主动式两种。被动式，就是在空间站的外表面喷涂一种使辐射率和吸收率成一定比例的物质，在内部包覆一层隔热物质，用来减少热量的内外交换，把太阳的辐射热绝大部分再辐射到空间，只允许一部分进入舱内，大部分的空间站都采用这种方法。仅这样做还不够，还要采用极其复杂的主动温度控制系统，把设备的散热、乘员发热以及外部传到空间站各个舱的热量，通过舱内空气的流通和物体的传导，把热量收集到温度调节系统的散热器，它可以主动地收集热量，传送到空间站舱外。而在舱外装有用于散热的辐射器，或者称为辐射制冷器，通过它把多余的热量辐射到空间去。

为了保证系统的工作可靠性，一般都是主动式和被动式的温度控制手段同时采用。此外在配置上也做了充分的考虑，那就是配备备份部件。当活动部件，比如泵损坏时，可以自动地切换到另一个泵上继续工作。正常情况下系统是自动工作的，而一旦该系统的部件都出现了问题时，则采用专门设计的手动控制系统，由宇航员来 *** 作。

而空间站里的湿度也很重要。当空间站湿度过大时，宇航员都会因此降低工作效率，易产生疲劳甚至工作的失误。而当湿度太小时，某些设备又不能正常工作，因此必须进行湿度控制。一般空间站上装有冷凝干燥器和湿气收集器，就是在密封舱内有若干个风机，将含有湿气的空气吹往热交换器，它的内部装有湿气收集器，在收集器内装有特殊的吸水材料，湿气被材料吸收后送到水收集器可以用来控制湿度。

空间站的制导与控制系统

资料表明，空间站的制导与控制系统也是一个极其重要的系统，要求它完成的工作内容有许多方面。而制导与控制系统的工作好坏，则直接关系到空间站的成败。这是因为在空间站的发射阶段、轨道飞行阶段，以及与其对接航天器的返回部分，在返回过程中都需要对整个空间站及返回部分进行控制，控制失灵就有可能不能返回地面，造成不堪设想的后果。概括说来，空间站的制导与控制系统主要完成以下几个功能：

其一，入轨后正常的飞行控制。在轨道运行段，即使是正常情况下也要进行控制，这包括了对空间站的运动控制和姿态控制。空间站在轨道上飞行时，由于大气的影响，轨道高度会逐渐变低；如果不加控制就会向地球坠落。因此，需要补充能量，控制其变轨，提高轨道高度。当空间站需要与其他飞行器交会对接时，更需要控制，为了使空间站与要对接的飞行器对准方向，要控制空间站做一些运动，以完成对接任务。

另外一方面，空间站在轨道飞行时处于失重状态，如果不加控制，它就要做随意的翻滚，这是不允许的。因此，空间站飞行时有3个旋转轴，分别为滚动轴、偏航轴和俯仰轴。在正常运行中，不允许它绕任何一个轴有大的转动，或者转动的值不超出允许的范围，这样的一种控制称为三轴姿态稳定控制。

当空间站上装有太阳能电池帆板时，要求帆板在空间站运行中不停地转动，使帆板的平面与太阳光的入射线尽量垂直，此时的发电效率最高，因此，当空间站围绕地球转动时，帆板要围绕自身的轴相对空间站而转动，始终使它的平面朝向太阳。

美国东部时间2020年5月30日15时22分（北京时间2020年5月31日3时22分），美国太空 探索 技术公司（SpaceX）在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心39号A发射台（LC-39A）利用猎鹰9号（Falcon 9）运载火箭成功发射“奋进”（Endeavour）号载人龙飞船（Crew Dragon），开始执行其首次载人飞行测试（CFT），也即SpaceX在美国国家航空航天局（NASA）商业载人项目（CCP）下第二次也是最后一次试飞——“二号验证任务”（Demo-2）。

在其成功与国际空间站“和谐”（Harmony）号节点舱自动对接后，载人龙飞船上的两名NASA宇航员Doug Hurley和Bob Behnken进入国际空间站，标志着美国自2011年航天飞机退役以来再次拥有独立的本土载人航天能力。

载人龙飞船多向视图

载人龙飞船（Crew Dragon），原称“龙骑士”（DragonRider），是美国太空 探索 技术公司（Space Exploration Technologies Corp，SpaceX）提出并设计制造的二代龙（Dragon V2/Dragon 2）飞船，于2014年5月29日正式发布。

载人龙飞船采用两舱式布局——加压乘员与货物舱（capsule）和非加压货舱（trunk），但两舱不相通。根据功能和设计划分，载人龙飞船分为鼻锥（nosecone）、加压段（Prssure section）、非加压段等三大段。

两代龙飞船分段示意图（图源：SpaceX）

加压乘员和货物舱（capsule）容纳乘员和加压货物，包括一个加压段、一个非加压服务段和一个鼻锥，其他主要结构包括焊接铝压力容器、主隔热支撑结构和后壳热保护系统支撑结构，同时还有包括发动机、推进剂罐、加压罐、降落伞系统和必要的航电设备等的二级结构。其中：

非加压货舱支持载人龙飞船的太阳能电池阵列和散热系统，并在紧急中止时提供空气动力学稳定性。

图表：载人龙飞船性能

载人龙飞船在诸多结构和功能方面与一代龙飞船拥有端到端的共性，包括发射、导航与控制、热防护、热控制、电力系统、航电、软件、再入制导与回收等。接下来，根据公开信息整理载人龙飞船的设计细节，以供参考。

两代龙飞船结构对比图（载人龙飞船着陆腿已取消）

一、加压乘员与货物舱

载人龙飞船模型

载人龙飞船加压乘员与货物舱外侧壁及鼻锥部采用SpaceX专有烧蚀材料（SpaceX Proprietary Ablative Material，SPAM），底部采用第三代酚醛浸渍碳烧蚀材料（the Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA）——PICA-X。

载人龙飞船加压乘员与货物舱设计最大载客7人，布局为“上四下三”或“上四下货”。但NASA要求载客4人，所以现阶段执行NASA任务的载人龙飞船采用的是四座椅设计。乘员座椅的设计采用了先进的乘员保护措施，借鉴了“哥伦比亚”号航天飞机事故的经验教训和最新的 汽车 乘员保护技术，并采用高规格碳纤维和欧缔兰（Alcantara）材料。

载人龙飞船乘员舱内部座椅“上四下三”配置

载人龙飞船的环境控制与生命支持系统（Environmental Control and Life Support Systems，ECLSS）为乘员提供新鲜空气，并清除二氧化碳，同时控制舱内湿度和压力。其安全性达到即使乘员舱舱体上出现直径高达025in（635mm）的孔洞并伴随着舱内气体和压力泄漏时，载人龙飞船依然可以凭借其携带足够乘员呼吸的气体储备量而安全返回地球。

SpaceX洁净室内的载人龙飞船加压段

作为额外的保护措施，乘员穿上SpaceX量身定制的舱内宇航服，以保护其免受紧急情况下的乘员舱减压伤害。载人龙飞船配套的舱内宇航服采用连体式设计，类似潜水服，还配有可用来控制屏幕的导电皮手套。该舱内宇航服在维持安全性水平的前提下进行了轻量化设计，本身采用阻燃外层材料，鞋部增设了与座椅脚蹬的固定结构，同时选用了定制化的3D打印头盔。

所有航天服与飞船的环控生保和通信连接集成在单根线缆上，还增设了额外的听力保护装置。为了适应触控界面，舱内宇航服手套手掌内侧设有触控层，兼顾触屏 *** 控。头盔面罩内置衍射显示器，可以显示关键参数，关节过渡段经过特殊设计，不仅可以灵活转动，在舱内失压情况下可密闭并充气保压，以保证航天员生命安全。

其火情监测和灭火系统也将在紧急情况下保护乘员。如有需要，SpaceX还可为乘员舱配置食物准备和废物处理设施。

载人龙飞船舱内航天服整体及局部细节图

载人龙飞船的控制系统非常现代化，包括一个由3块大尺寸触摸屏、2排（38个）按钮和开关组成的控制面板（Control Panel），以及乘员用手持平板电脑，为乘员提供了解飞船实时状态的界面和发送关键命令的能力。3块大尺寸触摸屏所显示内容可自由切换，因此3块屏幕在受损情况下可互为备份。当乘员在触摸屏上选择命令后，就可以通过2排按钮进行 *** 作。虽然载人龙飞船被设计为自动飞行与对接，但乘员可选择手动驾驶飞船和控制推进系统来进行小的航向修正以及在紧急情况下接管飞船。即使该控制系统发生两次故障，舱内乘员仍可手动驾驶飞船。

载人龙飞船控制面板

此外，加压乘员与货物舱上安装有载人龙飞船的整体式抗辐射的三冗余航电系统。

二、非加压货舱

载人龙飞船取消一代龙飞船上可折叠伸缩的太阳能帆板，改为由240块贴在非加压货舱（trunk）外壁上的太阳能电池片组成的太阳能阵列，虽然效率有所降低，但保证了气动特性。不配备太阳翼，避免太阳翼展开、对准等过程，能够提升系统可靠性；简洁、一体化的设计，可支持飞船直接从运载火箭上发射，而不需要使用整流罩。太阳能阵列对面一侧则是飞船散热系统，用于在轨热控制。

非加压货舱（trunk）外壁上新增的4个尾翼在紧急分离情况下可提供气动稳定性。

执行Demo-1的载人龙飞船太阳能电池片

三、推进系统

载人龙飞船推进系统包括反作用控制系统（reaction control system，RCS）和发射中止系统（launch abort system，LAS）等两大部分。载人龙飞船上拥有16台天龙座（Draco）RCS发动机（4台一组，共4组）和8台超级天龙座（SuperDraco）LAS发动机（2台一组，共4组），均采用四氧化二氮（NTO）和单甲基肼（MMH）。

载人龙飞船推进系统分布（着陆腿已取消）

推进系统采用冗余设计而分为4个独立模块，每个模块配有独立的推进剂罐组。二代龙飞船可携带高达4885lb（22t）的推进剂，其中包括3004lb（136t）四氧化二氮（NTO）和1881lb（085t）单甲基肼（MMH）。使用气态氦的加压子系统将氧化剂和燃料分离，以防止推进剂迁移反应。龙飞船推进剂储存装置被设计成保留残余推进剂，防止在溅落大海时泄漏到海洋中。

由于四氧化二氮（NTO）和单甲基肼（MMH）的推进剂组合的长时间储存特性，载人龙飞船可在国际空间站停靠长达200天（设计210天，实际180天），同时可作为国际空间站的紧急逃生舱。

1天龙座发动机

天龙座（Draco）发动机是SpaceX自研的自燃式液体发动机，单台真空推力400N（90lbf），主要用于远地点/近地点机动、轨道调整和姿态控制，继承自一代龙飞船。

已执行过飞行任务的天龙座（Draco）发动机

2超级天龙座发动机

位于机架上的一组超级天龙座（SuperDraco）发动机

SuperDraco发动机是Draco发动机的衍生型号，同样安装在载人龙飞船侧壁上。SuperDraco具备深度节流和多次点火能力，推力可在20～100%范围内调节，可实现精确控制，可重复使用。SuperDraco喷嘴出口直径20cm（8in），全推力为73kN（16400lbf），可在全推力状态下工作5s，可在100ms内完成从启动到全推力状态。

每对SuperDraco发动机（共8台）安装在加压乘员和货物舱上一个铝制整体支架上，其通过三个支架、以最少约束方式连接到压力容器上。二代龙飞船上8台SuperDraco同时工作的总推力为545kN（122600lbf），单台发动机工作推力为68kN（15325lbf），允许LAS在单台发动机失效情况下仍能完成发射/飞行中止程序。

3D打印SuperDraco再生冷却推力室

2012年2月1日，SpaceX宣布顺利完成SuperDraco原型发动机的全工作周期和全推力点火测试。

2013年9月5日，SpaceX宣布成功使用直接激光金属烧结（direct metal laser sintered，DMLS）技术取代传统铸造技术制造出SuperDraco的再生冷却推力室并整机点火测试成功，该推力室采用耐高温的铬镍铁合金（Inconel），制造时间相比传统铸造缩短了一个数量级——仅需三个多月便完成从概念设计到点火测试。

2014年5月27日，SpaceX宣布顺利完成SuperDraco的认证测试，包括多次点火、延长点火时间和极端环境点火等。

SuperDraco点火测试

2015年5月6日，SpaceX成功进行了载人龙飞船的发射台中止试验（Pad Abort Test），飞船在SuperDraco发动机点火后99秒安全降落在发射台以东海洋中。

2020年1月19日，SpaceX成功进行了载人龙飞船的飞行中止（In-Flight Abort，IFA）试验，载人龙飞船利用SuperDraco发动机推离火箭，并安全降落到指定海域。在此次IFA试验前，SuperDraco已进行了超过700次测试。

四、热防护系统

载人龙飞船加压乘员与货物舱（capsule）用于再入大气层的热防护系统/隔热罩采用SpaceX改进设计的第三代酚醛浸渍碳烧蚀材料（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA），又称“PICA-X”。

图表：PICA与PICA-X对比

“龙飞船酚醛浸渍碳烧蚀材料隔热层”是NASA商业载人与货运项目办公室（Commercial Crew and Cargo Program Office，C3PO）和SpaceX基于“商业轨道运输服务”（Commercial Orbital Transportation Services，COTS）协议开展的合作项目，主要是为“龙”飞船开发再入大气层时的隔热罩。

PICA与PICA-X对比

酚醛浸渍碳烧蚀材料是NASA艾姆斯研究中心（NASA-ARC）材料团队为众多星际 探索 项目开发的轻质、耐烧蚀新型材料，其对浸渍技术进行了深入研究，最终实现了通过控制浸渍工艺参数来调节材料密度并保证酚醛树脂均匀分布的技术，并为此申请了专利。PICA首次应用在“星尘”（Stardust）号彗星探测器返回舱的底部热防护系统，用于保护该返回舱再入地球大气层。PICA还用于火星科学实验室（Mars Science Laboratory）——“好奇”（Curiosity）号火星探测器着陆器底部热防护系统。

一代龙飞船发射前与回收后隔热罩对比（左）与整船烧蚀程度（右）

NASA-ARC为该项目提供知识、专家和设施支持，SpaceX承担直径36m的PICA隔热罩设计和制造。SpaceX花了约4年时间完成PICA-X设计。PICA-X隔热罩在2010年12月8日成功试飞的一代龙飞船——“龙”货运试验飞船上验证了实际能力，并在其后的一代货运龙飞船的任务间不断改进设计。

据称，PICA-X可承受再入大气层时高达2000℃（一说1600℃）的高温，并可多次重复使用，不仅允许龙飞船从近地轨道返回，甚至可以从月球或火星轨道返回，而其成本仅为PICA的10%。

工作人员在首艘一代龙飞船的碳基复材底座上铺设PICA-X隔热瓦/片（图源：SpaceX）

五、降落伞系统

载人龙飞船降落伞系统由2个稳定减速伞和4个主伞组成。减速伞均为锥套式降落伞，直径19ft（58m），有72ft（219m）长的立管/悬架（risers/suspension），由可变孔隙率的锥形带制成。主伞由凯夫拉和尼龙制成，直径116ft（354m），有147ft（448m）长的立管/悬架。

减速伞是在再入过程中首先展开，以保证在较大和较厚的主伞展开之前控制飞船将速度降至无法破坏主伞。减速伞通常降落在距离龙飞船溅落位置1～2km的地方。减速伞部署后不久将从飞船上分离，主伞将接替部署。减速伞和主伞都被设计成可在海面上漂浮。

Demo-1回收时的载人龙飞船主伞

SpaceX降落伞系统因多次测试出现问题而不断改进设计，其最新的Mark 3版本进行了约100次测试，拥有了在四主伞中的单个发生故障的情况下仍能安全溅落海面。

总结

载人龙飞船首次载人发射任务目前进展顺利，不仅仅标志着美国自2011年后重获载人航天能力，还标志着SpaceX首次执行商业载人航天发射任务。虽然该任务还属于飞行试验，且并未完成再入回收，但并不影响其在航天领域的重要地位。SpaceX看似激进科幻、实则有规可循的飞船设计与技术发展理念，值得借鉴：

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