控制小车其实也就是控制小车的电机,一般来说,是通过PWM信号来控制。比如说,要让小车前进,则输出正转的PWM信号,后退则输出反转的PWM信号等。而调节PWM信号的占空比则可以改变电机的转速,从而改变小车的速度。此外,拐弯则需要借助于传感器提供的信号了。编程时,先了解小车的电机资料,再有就是捕获传感器的信号了。
火车发件在第1步的时候,就要先把所有的程序全部都准备完成好,然后准备就绪,第2步就是准备火箭的发射,火箭一级发动机以及4个助推器会同时点火,第3步就是要程序转弯,在火箭升空之后开始城区转弯,第4个步骤就是火箭继续飞行抛脱逃逸塔。
现以中国“长征3号乙”运载火箭将菲律宾马部海卫星送入预定轨道的全部控制过程为例,说明火箭入轨的各个阶段的工作情况和各级箭、星分离的时间。各个控制的控制程序列于表1和表2中。表1为发射准备程序,表2为飞行程序。表1发射准备程序
序号时间事件1—8小时进入射前程序勤务塔撤离2—7小时三级开始加注3—80分钟控制系统箭上加电,射前功能检查4—60分钟摇测系统箭上加电,射前功能检查5—45分钟停止整流罩空调,空调连接器脱落6—40分钟精瞄,控制系统飞行数据装定、检查。一、二级、助推器气管连接器脱落7—22分钟三级预冷前增压8—20分钟三级发动机预冷9—13分钟三级射前补加开始10—10分钟卫星脱拔插头脱落11—4分钟三级射前补加结束,射前增压12—3分钟遥测、外测系统转电三级的加注和排气连接管脱落13—2分钟三级气管连接器脱落14—90秒控制系统转电15—60秒控制、遥测、外测、安全系统脱插脱落16—30秒牵动17—7秒开拍180点火
表2飞行程序
序号时间(秒)高度(千米)事件101828起飞292005程序转弯312863954966助推器分离414579871485一二级分离5214798129798整流罩分离6330409206910二三级分离7608318293232三级第一次关机81194147212217三级第二次启动91369255200346三级第二次关机101469255244307星箭分离1828千米指的是发射台的海拔高度。
有关于神舟十三号飞船上三名宇航员的日常生活纪录片深受大家的喜爱。
从最初的神州五号到如今的神舟十三号, 我国的航天工程走过了漫长而又艰难的岁月。 每当人们从电视上看到火箭发射的场景时就很激动, 搭乘着载人飞船的火箭升空,标志着我们与宇宙 探索 的更进一步。
值得一提的是, 现在不仅可以观看发射过程,连飞船返航过程都有专题视频 。视频中飞船返航时进入大气之后像是变成了一个 燃烧的火球 ,使得大家不禁为航天英雄们担忧,害怕会发生什么意外。对此许多人表示疑惑, 为什么同样都要穿过地球的大气层,飞船发射时不会燃烧,返回时却会猛烈燃烧呢?
诚然,虽然绝大多数人都在电视上观看过载人飞船发射升空和返航的视频,但是应该尚未 深入了解飞船发射与返航的步骤 。接下来,我们就来一起看看飞船究竟是如何“冲出地球”,又是如何返回家乡的。
首先, 飞船在发射前就需要做许多准备 。我们知道一般是用运载火箭将其送入轨道, 所以开始前检查火箭的燃料加注以及启动火箭自检程序就显得尤为重要 。
以 苏联的H-1运载火箭 为例,几次发射之后都在空中爆炸解体,虽然设计问题是主要原因,但是与火箭发射前的检查工作也是密切相关的。
火箭点火成功之后最初是垂直上升的,这个时间大概只有10秒左右 。这之后火箭就会开始“程序转弯”,这样是为了将载人飞船安全送入既定轨道。大概两分钟以后火箭助推器就会分离,从最初我们看到的长度缩短一大截。等到达大气层边缘时,整流罩也会自行分离。 以神舟七号为例,成功点火583秒时,飞船和火箭彻底分离,根据观测这时的飞行高度大约是200公里。
简单来说, 飞船发射大致要经历三个过程。第一是垂直上升,这一阶段是在积累初始速度。第二则是程序转向,此举除了协助运载火箭完成轨道偏转之外,还旨在降低大气阻力。第三是入轨机动,依靠轨道最高点附近的平行方向点火来实现。
返航的过程则要更加复杂一些,毕竟再入大气层是一件很危险的事情。 以神舟十二号为例,它与空间站分离之后,还需要绕行很多圈来调整降落的高度和角度 。调整完毕之后轨道舱才会与返回舱分离,这时返回舱正式进入减速变轨,以79公里/秒的速度下降。
待到降落高度至80到100公里之后,飞船会进入大气层,这时的飞船就会变成我们看到的那一团火球 。不仅如此, 因为黑障效应,飞船还会和地面指挥短暂失联,大概到40公里的位置才能再次建立连接。 经过减速之后,飞船的速度逐渐降为 200米/秒 ,最终在距离地面 10公里的位置时d出降落伞 。这就是大家看到的最后返航场景,降落伞底部拖着一个“黑乎乎”的铁块,做着落体运动。
通过以上我们知道了飞船发射和返航的详细步骤,相信大家已经发现了为什么飞船在发射时不会燃烧,返回时却会剧烈燃烧。 主要有以下两个原因,分别是速度和大气的差异 。
首先, 我们一起来看看速度有何不同。 人类仅用肉眼去观察肯定察觉不到发射和返航的速度有什么差异,但是 根据计算就能发现,发射时抵达大气上层边缘时,才开始缓慢加速。 像我们前文提到的助推器分离阶段, 其速度大约只有2公里/秒。 因此其实飞船飞入地球时的速度远小于返回时的速度, 速度的差异是造成二者燃烧状况不同的主要原因。
飞船的时速越快与大气之间的摩擦力就越强。 而摩擦力正是飞船外部燃烧的原因,巨大的摩擦力使得飞船表面迅速升温,其温度甚至可以高达 2000 。飞船返回时受到的摩擦力比发射时受到的摩擦力小,所以升空时飞船表面的温度并不会特别高,就更不可能出现燃烧现象了 。
其次,就是大气层的原因。 大气层是越向上越稀薄的,越靠近地表越稠密,其阻力不言而喻。 大气圈最底层也叫摩擦层,在这个范围内物体的运动会明显受到地表摩擦力的作用。
飞船发射是从大气稠密部分到大气稀薄部分,并且在稠密部分时飞船的整体速度并不快,再者有程序转向这种减轻阻力的步骤,使得产生的摩擦力很小。
但是飞船返回就不一样了,它是从宇宙的真空环境重新进入地球,并且速度大概是79公里/秒的。 大家可能对这一数值没有概念,举个例子如果我们从北京坐高铁去天津,需要花费30分钟,而假如乘坐这样速度的飞船的话,仅仅需要15秒就可以到达了。 再者从大气的分布来看,越向下越稠密,这时高速下落的飞船必然会和稠密的大气疯狂摩擦,最终致使表面温度骤然升高,产生燃烧现象。
由此可见, 燃烧情况不同本质就是因为“摩擦力的大小不同” 。 摩擦力一方面受到速度的影响,另一方面则受到大气密度的影响。 可以说飞船发射时和返回时面对的境况完全相反,所以燃烧情况不一样也很正常。
值得一提的是, 虽然大气的摩擦阻力看起来很“讨厌”,但是我们现在的飞船降落都需要依靠大气来尽力减缓自己的速度。 像嫦娥五号返回舱重回地球时,甚至为了降低速度,曾经两次进入大气层,最终带着月壤成功返航。
至此,我们对飞船发射和返回时燃烧情况为什么会不同有了一定的认识。 其实这种燃烧现象,是航天工程当中一直在进行攻克的一大难题。科学家们称这种现象为“热障效应”, 具体来说就是飞船在稠密大气当中进行超音速飞行时,激波和本体之间的高温压缩气体会加热。而机体和空气又会强烈摩擦,再度将机体表面的热度提高,使其 超过表面金属材料的极限温度,产生了燃烧、高温的现象 。
因此, 想要保障飞船内宇航员的生命安全,就需要在飞船外部套上“金钟罩”,这种金钟罩其实就是由热防护材料做成的,对飞船内部形成保护。 经过科学家仔细研究,发现使用 “烧蚀防热” 是最好的方法。
我国神舟飞船所使用的烧蚀材料能够承受2000 的高温,其表面看起来像是蜜蜂的蜂巢一样,其名字也叫“蜂窝增强低密度材料”。
这种材料在 飞船再入的530秒当中能够将飞船内的温度保持在30 左右,具体原理就是它能“吸热” ,并且这种材料的吸热效果非常好,用它来做热防护可谓再合适不过了。
并且,这种烧蚀材料是一次性的,毕竟在飞船再入大气的时候它已经燃烧得差不多了,所以很难被二次利用。再者这种材料的价格也很昂贵, 每公斤的价格就要8000元人民币。 大家可以想象一下,涂满飞船的返回舱,需要耗费多少, 因此航天工程的“烧钱程度”确实很恐怖。
航天院的工程师在介绍上文所说的烧蚀材料时表示, 他们研制这一材料整整耗费了15年的时间,就是为了最后回来的这530秒,前后仅是记录档案都有满满的十几盒,每盒的文稿不少于十册。
不少人表示疑惑,热防护真的有这么重要吗?假如热防护没做好会有什么后果? 美国的哥伦比亚航天飞机爆炸就揭示了烧蚀材料以及热防护的重要性。
这一事件发生于 2003年的2月1日,根据相关报道显示:当天的8点44分时,重达100吨的哥伦比亚航天飞机正在穿过大气,时速大约是28000公里。 这时大气与机体之间的摩擦,使得 表面快速升温至1400 。一分钟以后,当人们从地面可以观测到哥伦比亚号时,发现有碎片掉落。 又过了约4分钟之后,飞船与地面失联。
调查报告显示, 哥伦比亚号在高度60公里的位置开始解体 。它的解体爆炸, 使得飞船内的7名宇航员全部丧生。
随后,工程师经过一系列的调查之后发现, 发射时一块泡棉脱落,撞击到了飞船左翼,砸出了一个约25厘米的洞。 机翼本身是由隔热片覆盖着的,这个洞意味着有一处隔热片损坏了。因此, 飞船再入大气时,高温气体就顺着这个洞进入了机身内部,最终导致飞船爆炸解体。 可见,那个泡棉是主要原因, 隔热板的“脆弱性”也是推手。 所以,热防护对于保障宇航员的生命安全是非常重要的,容不得一点马虎。
这一事故使得大家开始关注新型隔热材料,毕竟 哥伦比亚号上的隔热瓦本身是一种十分脆弱的陶瓷材料。 虽然对高温耐受能力极强,但是这样一碰就碎的情况使得它为飞行、返航增加许多不确定因素。 如何保障飞船在返航时的安全性,是科学界一直在 探索 和实验的事情。
民间有句古话是“上山容易下山难”, 航天工程也有这个问题,姑且可以理解为“上天容易下地难”。 为什么这么说呢?前文中所说的热障就已经很危险了,但飞船返回过程中还会遭遇其他现象, 其中有一种现象被称为“黑障” 。
黑障 指的是, 飞行器周围形成的高密度等离子体鞘层造成的与地面失联的现象。 这种鞘层会反射或者吸收电磁波, 使得信号彻底中断,从而影响地面指挥部对返回舱的追踪定位。
一旦发生什么意外,飞船内的宇航员算得上是“叫天天不应叫地地不灵”了。 并且在高速下落的影响下,宇航员会出现头晕甚至晕厥的现象,如果发生意外想要依靠宇航员 *** 作来控制返回舱是很难的事情。
在地球上最浪漫的事情,就是和爱的人一起看一场流星雨。 其实部分耀眼的流星就是没有穿“隔热防护衣”进入大气的小飞船。 它们能发出这样耀眼的光, 实际上就是与大气摩擦燃烧自己的结果。 初进入大气的流星其实体积质量还是很大的,不过后续的摩擦燃烧明显是起到了“减肥”效果。
运载火箭从发射台上点火起飞直到将航天器送人预定轨道的飞行轨迹称为火箭发射轨道或发射轨道。其中火箭发动机工作期间飞行的轨道段称为主动段,发动机关机后不产生推力,这段轨道称为惯性飞行段或滑行段。
运载火箭的发射轨道有2种基本形式:一种是连续推力发射轨道;另一种是具有中间轨道的发射轨道。
运载火箭从发射台点火起飞,首先在稠密的大气层内飞行,跨过声速,经过最大动压区,然后飞出大气层外,最终将航天器送入预定轨道。运载火箭的飞行轨道经历了垂直起飞段、程序转弯段和入轨段。
垂直起飞段
运载火箭发射采用垂直起飞的发射方式,与倾斜发射方式比较有一定的优势:首先,可以缩短穿过大气层时间,减少速度的损失,有利于运载火箭迅速穿过大气层。其次,只要运载火箭发动机的推力略微超过火箭的起飞质量,火箭就会飞离发射台,可以充分利用运载火箭的能量,对于迅速加速十分有利。再次,临射前加注、瞄准等工作容易进行,与这种发射方式所适应的地面发射设备简单可靠。
程序转弯段
当运载火箭飞离发射台一段时间后,火箭开始按预定的俯仰角程序转弯,对准发射方向飞行。为了减小空气阻力,顺利跨过声速,火箭在大气层内采用零攻角飞行。当火箭飞出稠密的大气层时,一级火箭一般已经分离,改由二级火箭加速。飞离大气层后,整流罩被抛掉,火箭按照最小能量的飞行程序继续转弯,以等角速度作低头飞行。
俯仰角程序是时间的连续函数,以利于控制系统的设计。对不连续的俯仰角程序需要进行平滑处理,使俯仰角速率限制在控制系统所能承受的范围之内。
在稠密大气层内飞行时,要求以接近0°的攻角飞行,以减少气动载荷和气动干扰。火箭飞行时,作用在箭体上的空气动力矩以及由此引起的法向过载与qa值(q为动压,a为攻角)成正比,火箭飞行程序确定后,需要在发射前根据高空风气象预报(高度一般为12~20km),对qa值进行计算,小于某一给定值时方允许发射。
运载火箭在这部分轨道飞行时的力学原理大致是这样的:运载火箭在飞行轨道上任一点的速度都可以分解成垂直方向和水平方向的分速。火箭在轨道的每一段都尽量利用它运动所产生的惯性离心力去抵消重力,而火箭的水平分速越大,它所产生的惯性离心力也越大,对重力的抵消就越有效。如果火箭的水平分速小于环绕地球所需的速度时,惯性离心力不足以抵消重力,所以整个火箭的重量还必须借助火箭的推力来抵消。在火箭飞行的垂直段,火箭尚未获得任何水平分速,所以此时全靠发动机的推力来克服重力。当火箭的水平分速到达环绕速度时,克服重力就只需要惯性离心力了,此时火箭的推力就是控制轨道远地点的动力了。
入轨段
一般来说,各种运载火箭发射的前2个轨道段差别不大,而入轨段则有2种基本形式,一种是连续推力发射轨道,另一种是具有中间轨道的发射轨道。
在接近轨道注入点时,火箭做最后的水平加速,达到入轨速度后运载火箭与航天器分离,卫星被送入运行轨道。入轨速度等于入轨点高度的圆轨道环绕速度时,航天器将进入圆轨道运行;高于环绕速度时,将进入以入轨点为近地点的椭圆轨道;相反,入轨速度低于环绕速度,航天器将进入以入轨点为远地点的椭圆轨道,倘若速度过低,近地点将降到稠密大气层内甚至地面,航天器将不能入轨。
入轨段可有直接入轨、滑行入轨和过渡转移入轨三种方式。发射近地轨道卫星可以采用直接入轨方式,由各级运载火箭相继工作,用连续的主动段将航天器直接送入轨道;发射中、高轨道航天器可采用滑行方式入轨,倾斜飞行段的后期是无动力的滑行段,待滑行到轨道高度之后,再进入入轨加速段;发射高轨道航天器和深空探测器时,一般先将其发射到近地停泊轨道,之后再进行轨道转移进入运行轨道。例如中纬度发射场发射地球静止轨道卫星时,一般先将航天器共面发射到停泊轨道,例如近地点约200km,远地点为地球同步高度的大椭圆轨道,然后由卫星在远地点进行复合变轨,同时改变轨道平面和近地点高度,进人倾角为0的地球同步轨道。
除了飞机携载的小型运载火箭外,一般运载火箭都从地面起飞,最后在预定高度上达到水平方向的入轨速度。发射轨道的选择和设计受多种因素的影响,包括发射场的纬度和位置、航区安全的限制、航天器的预期轨道以及运载火箭的性能等。
设计发射轨道尽量提高火箭飞行的效率,减少重力损失以获得尽可能大的速度增量。但为了获得高质量比,各级火箭的结构都是轻型结构,要求飞行过程中的动载荷不能太高,因此有关飞行轨道的各项参数需在系统层次上选择和折中。
发射航天器多采用共面发射,使发射轨道与航天器轨道在同一平面,以避免改变轨道面而耗费燃料。发射轨道一般包括几个阶段:垂直起飞段、倾斜飞行的程序转弯段和入轨加速段
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