关于航空航天的知识

航空航天基本知识

我们知道，人类的家园是地球，而地球的外面覆盖着一层大气，如果没有水和大气以及适宜的温度和环境，生物是很难生存的。

通常，在人们的眼中，“天”很高，要想冲出厚厚的大气层，进入太空非常非常困难。其实，与地球相比，大气层是很稀薄的。

人们知道，地球的直径大约为12700千米，而大气层的厚度只有100 -800千米。如果将地球比作一个苹果的话，那么，我们可以把大气层看成是苹果的皮，可这层“苹果皮”本身却是变化多端的。

比如最贴近地球表面的一层，叫作对流层，其高度从海平面起一直到大约11000米止，其顶界是随纬度、季节等情况而变化的，在赤道地区为17000米，在中纬度地区（如北京、天津地区）为11000米，在地球两极地区则为7000-8000米。

对流层的主要特点是，空气温度随着高度的增加而降低，因而又称为变温层，平均而言高度每上升1000米，气温约下降6.5℃。与此同时，气压也随高度的增加而降低。由于地球引力的作用，在 5500米的高度范围内，包含了大气总量的一半，而整个对流层，大约占了全部大气质量的四分之三。

由于几乎所有的水蒸气都集中在这一层大气内，再加上大量的微粒，因而，这里也是风云变幻最为剧烈的一层。从大约11000米的高度起，直到30500米左右，其大气温度基本不变，平均保持在-56.5℃上下，因此被称为同温层（实际情况是：在25000米以下，气温随高度的升高而上升。在同温层顶，气温约升至-43至-33℃）。同温层的气温之所以具有这样的特点，是因为该层大气离地球表面较远，受地面温度的影响较小，并且其顶部存在着臭氧，能够直接吸收太阳的辐射热等。

同温层所包含的空气质量大约占整个大气的四分之一弱。在这一层大气内，没有上下对流，只有水平方向的风，所以又叫作平流层。另外，该层大气几乎不存在水蒸气，基本上没有云、雾、雨、雹等气象变化的现象，这对飞行器的平稳飞行是非常有利的。不过，由于空气密度很小，飞机在这一高度层上又不适宜机动飞行。

人类的航空活动差不多都集中在对流层和同温层内。为了保证飞机和发动机的工作效率，飞机飞行的高度一般不超过30千米的界限。

从30千米到80-100千米的高度范围，被称为中间层。这一层空气的特点是：以 45千米为界，温度先升后降。由于大量的臭氧存在，其气温先由同温层顶的-33℃提高到17至40℃左右；从45千米起，随着高度的升高，气温又开始下降，一直降低到-65.5℃至-113℃。

中间层的空气已经很稀薄了，其空气质量约只占整个大气层的1/3000。在80千米高度上，空气的密度只有地面的五万分之一；而在100千米高度上，空气的密度仅为地面的一千万分之八。由于空气非常稀薄，并且气体开始呈现电离现象，因此，人们一般把飞行高度达到80—100千米的飞行器，看成是不依靠大气飞行的航天器。

1967年10月，美国试飞员约瑟夫·沃尔克驾驶X-15A火箭飞机飞出了 7297千米/小时的惊人速度，创造了有人驾驶飞机速度的世界纪录。而且，他还曾多次飞到了80千米以上的高空，成为美国第一个“驾驶飞机的宇航员”。按照美国航空航天局规定：飞行高度超过80千米的飞行员即可称为宇航员.

在中间层之上直至800千米高空的范围，称作电离层。其特点是：含有大量的带正电或负电的离子，空气具有导电性。并且，其温度随高度的增大而迅速升高，在200千米高度时，气温可达400℃。所以，这里又被人们叫作“暖层”。

在电离层顶端之外，便是大气的最外层——“散逸层”了。由于地球引力的减弱，气体分子和等离子体与地球已若即若离。

电离层和散逸层的空气密度极低，对太空飞行器的影响已很小，因此，人类大部分的航天活动都是在它们之内（或之外）进行的。

航空与航天的区别:

航空与航天是人们经常接触的两个技术名词，两者虽然仅一字之差，却被称为两大技术门类，这是为什么呢？

您稍加注意即可发现，航空技术主要是研制军用飞机、民用飞机及吸气发动机，航天技术主要是研制无人航天器、载人航天器、运载火箭和导弹武器，最能集中体现两者成果的是航空器和航天器。从航空器与航天器的重大区别上即可看出两个技术领域的显著差异。

第一，飞行环境不同。所有航空器都是在稠密大气层中飞行的，其工作高度有限。现代飞机最大飞行高度也就是距离地面30多千米。即使以后飞机上升高度提高，它也离不开稠密大气层。而航天器冲出稠密大气层后，要在近于真空的宇宙空间以类似自然天体的运动规律飞行，其运行轨道的近地点高度至少也在100千米以上。对在运行中的航天器来讲，还要研究太空飞行环境。

第二，动力装置不同。航空器都应用吸气发动机提供推力，吸收空气中的氧气作氧化剂，本身只携带燃烧剂。而航天器其发射和运行都应用火箭发动机提供推力，既带燃烧剂又带氧化剂。吸气发动机离开空气就无法工作，而火箭发动机离开空气则阻力减小有效推力更大。吸气发动机包括燃烧剂箱在内都可随飞机多次使用，而发射航天器的运载火箭都是一次性使用。虽然航天飞机的固体助推器经过回收可以重复使用20次，其轨道器液体火箭发动机可以重复使用50次，但与航空器使用的吸气发动机比较起来，使用次数仍然是很少的。吸气发动机所用的燃烧剂仅为航空汽油和航空煤油，而火箭发动机所用的推进剂却是多种多样的，既有液体的，也有固体的，还有固液型的。

第三，飞行速度不同。现代飞机最快速度也就是音速的三倍多，且是军用飞机。至于目前正在使用的客机，都是以亚音速飞行的。而航天器为了不致坠地，都是以非常高的速度在太空运行的。如在距地面600千米高的圆形轨道上运行的航天器，其速度是音速的22倍。所有航天器正常运行时都处于失重状态，若长期载人会使人产生失重生理效应，并影响健康。正因如此，航天员与飞机驾驶员比较起来，其选拔和训练要严格得多。一般人买票即可坐飞机，而花重金到太空遨游的人还必须通过专门培训。

第四，工作时限不同。无论是军用还是民用飞机，最大航程计约2万千米，最长飞行时间不超过一昼夜。其活动范围和工作时间都很有限，主要用于军事和交通运输。虽然通用轻型飞机应用广泛，但每次活动范围相对更小。而航天器在轨道上可持续工作非常长时间，如目前仍在使用的联盟TM号载人飞船，可与空间站对接后在太空运行数月之久。再如航天飞机，能在轨道上飞行7-30天，约1.5小时即可围绕地球飞行一周。载人航天器运行时间最长的当属和平号空间站，它在太空飞行了整整15个年头。至于无人航天器，如各种应用卫星，一般都在绕地轨道上工作多年。有的深空探测器，如先驱者10号，已在太空飞行了32年，正在飞出太阳系向银河系遨游。航空器的优点是能多次重复使用，而航天器除航天飞机外，只能一次性使用，载人宇宙飞船也不例外。

第五，升降方式不同。飞机的升空是从起飞线开始滑跑到离开地面，加速爬升到安全高度为止的运动过程。它返回地面降落时只要经过下滑和着陆即可。只有个别飞机如英国的“鹞”型战斗机采用发动机喷口转向的方式使飞机能够垂直起落，但机身并未竖起，仍处于水平位置。而至今为止的航天器发射，包括地面和海上的发射，顶部装着航天器的运载火箭都是垂直腾空的。在完成发射过程中，运载火箭要按程序掉头转向和逐级脱离，最终将航天器送入预定轨道运行。有的航天器发射，中间还要经过多次变轨，情况更为复杂。航天飞机虽然也能施放航天器，但它本身亦是垂直发射升空的。至于返回式航天器，其回归地面必须经历离轨、过渡、再入和着陆四个阶段，远比飞机降落困难。航空器的起飞、飞行和降落与航天器的发射、运行和返回，虽然都离不开地面中心的指挥，但两者的地面设施和保障系统及其工作性能与内容也是大有区别的。

世界航空航天大事件:

风筝起源古代中国，约14世纪传到欧洲

公元前500－400年中国人就开始制作木鸟并试验原始飞行器

1909年世界第一架轻型飞机在法国诞生

1903年12月14日至17日,由莱特兄弟设计制造的“飞行者”1号飞机，在人类航空史上首次实现了自主操纵飞行.这次试飞成功成为一个划时代的事件，人类航空史从此进入新的纪元

1947年10月14日美国著名试飞员查尔斯·耶格尔驾驶X—1飞机实现了突破音障飞行

1969年7月20日22时56分20秒，阿姆斯特迈出一小步成为全体地球人类的一大步

1957年10月4日

前苏联发射世界第一颗人造地球卫星。半年后，美国的人造卫星上天

1959年9月12日

前苏联发射“月球”2号探测器，为世界上第一个撞击月球表面的航天器

1961年4月12日

前苏联宇航员加加林成为世界第一位飞入太空的人

1969年7月20日

美国宇航员阿姆斯特朗乘坐“阿波罗”11号飞船，成为人类踏上月球的第一人

1970年12月15日

前苏联“金星”7号探测器首次在金星上着陆

1971年4月9日

前苏联“礼炮”1号空间站成为人类进入太空的第一个空间站。两年后，美国将“天空实验室”空间站送入太空

1971年12月2日

前苏联“火星”3号探测器在火星表面着陆。5年后，美国的“海盗”火星探测器登陆火星

1981年4月12日

世界第一架航天飞机---美国“哥伦比亚”号航天飞机发射成功

1986年1月28日

美国航天飞机“挑战者”号在升空73秒后爆炸

1986年2月20日

前苏联发射“和平”号空间站，服役已经超期8年，至今仍在运行，是目前最成功的人类空间站

1993年11月1日

美、俄签署协议，决定在“和平”号空间站的基础上，建造一座国际空间站，命名为阿尔法国际空间站

我国航空航天大事件:

1956年10月8日，我国第一个火箭导弹研究机构———国防部第五研究院成立。

1970年4月24日，长征一号运载火箭在酒泉卫星发射中心成功地发射了东方红一号卫星，我国成为世界上第三个独立研制和发射卫星的国家。

1975年11月26日，长征二号运载火箭在酒泉卫星发射中心成功地发射了我国第一颗返

回式科学试验卫星，并于3天后成功回收。

1984年4月8日，长征三号运载火箭在西昌卫星发射中心成功地发射了我国第一颗地球同步轨道卫星———东方红二号试验通信卫星。

1990年4月7日，中国用自行研制的长征三号运载火箭在西昌卫星发射中心成功地发射了亚洲一号通信卫星，这是中国长征系列运载火箭首次发射国外卫星，使我国在世界航天商业发射服务领域占有了一席之地。

1999年10月，我国和巴西联合研制的第一颗地球资源卫星顺利升空，并正常运行，这是我国首次在空间技术领域进行的全面国际合作。

2003年10月15日，“神舟”五号飞船成功发射，并于2003年10月16日圆满回收，使我国成为世界上第三个独立掌握载人航天技术的国家。

2003年12月和2004年7月，我国与欧洲空间局联合研制并发射了“探测一号”和“探测二号”科学卫星，“地球空间双星探测计划”取得圆满成功。

2004年1月23日，我国绕月探测工程正式由国务院批准立项。

2005年10月12日,神六成功发射.

“我知道地球是圆的，因为我看见了圆形；然后，又看到它还是立体的。当我往下看时，……看到印度洋上船舶拖着尾波前进，非洲一些地方出现灌木林火，一场雷电交加的暴风雨席卷了澳大利亚1000英里的地区，呈现出大自然的一幅立体风景画。”
这是航天员在谈到从航天飞机上看地球的情景时的一段描述。

航天技术发展是当今世界上最引人注目的事业之一，它推动着人类科学技术的进步，使人类活动的领域由大气层内扩展到宇宙空间。航天技术是现代科学技术的结晶，是基础科学和技术科学的集成，航天技术是一个国家科学技术水平的重要标志。

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，热控制技术，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，火箭及航天器的设计、制造和试验技术，航天器的发射、返回和在轨技术等。由多种技术融于一体的航天系统是现代高技术的复杂大系统，不仅规模庞大，技术高新、尖端，而且人力、物力耗费巨大，工程周期长。时至今日，航天技术已被广泛应用到政治、军事、经济和科学探测等领域，已成为一个国家综合国力的象征。

人类很早就有遨游太空、征服宇宙的理想。宇宙的星球对人类一直充满着吸引力和神秘感，许多美丽的神话和传说，反映了人类对宇宙的向往和探索空间奥秘的心情。《嫦娥奔月》、《牛郎织女》，以及孙悟空腾云驾雾、一个筋斗十万八千里等。

航天飞行的历史是从火箭技术的历史开始的，没有火箭也就没有航天飞行。追溯源头，中国是最早发明火箭的国家。“火箭”这个词在三国时代(公元220～280年)就出现了。不过那时的火箭只是在箭杆前端绑有易燃物，点燃后由弩弓射出，故亦称为“燃烧箭”。

• 随着中国古代四大发明之一的火药出现，火药便取代了易燃物，使火箭迅速应用到军事中。公元lO世纪唐末宋初就已经有了火药用于火箭的文字记载，这时的火箭虽然使用了火药，但仍须由弩弓射出。真正靠火药喷气推进而非弩弓射出的火箭的外形被记载于明代茅元仪编著的《武备志》中，见图1.1。

这种原始火箭虽然没有现代火箭那样复杂，但已经具有了战斗部(箭头)、推进系统(火药筒)、稳定系统(尾部羽毛)和箭体结构(箭杆)，完全可以认为是现代火箭的雏形。

中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用了串联(多级)和并联(捆绑)技术以提高火箭的运载能力。明代史记中记载的“神火飞鸦”就是并联技术的体现；“火龙出水”就是串、并联综合技术的具体运用，如图1.2所示。

世界上第一个试图乘坐火箭上天的“航天员”也出现在中国。相传在14世纪末期，中国有位称为“万户”的人，两手各持一大风筝，请他人把自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有47支当时最大的火箭(又称“起火”)。他试图借助火箭的推力和风筝的气动升力来实现“升空”的理想。“万户”的勇敢尝试虽遭失败并献出了生命，但他仍是世界上第一个想利用火箭的力量进行飞行的人。

19世纪末20世纪初，火箭才又重新蓬勃地发展起来。近代的火箭技术和航天飞行的发展，涌现出许多勇于探索的航天先驱者，其中代表人物K．3．齐奥尔科夫斯基(~OHCTaHTHH3ayap且oBHq UHOaKOBCKHfi)，R．戈达德(Robert Goddard)，H．奥伯特(Hermann Oberth)。

前苏联科学家齐奥尔科夫斯基一生从事利用火箭技术进行航天飞行的研究。在他的经典著作中，对火箭飞行的思想进行了深刻的论证，最早从理论上证明了用多级火箭可以克服地心引力进入太空的论点。

1、建立了火箭运动的基本数学方程，奠定航天学的基础。
2、首先肯定了液体火箭发动机是航天器最适宜的动力装置，论述了关于液氢一液氧作为推进剂用于火箭的可能性，为运载器的发展指出了方向，这些观点仅仅几十年就成为了现实。
3、指出过用新的燃料(原子核分解的能量)来作火箭的动力；并具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件，火箭由地面起飞的条件，以及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想。
4、提出过许多的技术建议，如他建议使用燃气舵来控制火箭，用泵来强制输送推进剂到燃烧室中，以及用仪器来自动控制火箭等，都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用。

美国的火箭专家、物理学家和现代航天学奠基人之一戈达德博士在1910年开始进行近代火箭的研究工作，他在1919年发表的《达到极大高度的方法》的论文中，阐述了火箭飞行的数学原理，指出火箭必须具有7．9 km／s的速度才能克服地球的引力，并研究了利用火箭把有效载荷送至月球的几种可能方案。

德国的奥伯特教授在他1923年出版的《飞向星际空间的火箭》一书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理，而且还说明火箭只要能产生足够的推力，便能绕地球轨道飞行。同齐奥尔科夫斯基和戈达德一样，他也对许多推进剂的组合进行了广泛的研究。

在1932年德国发射A2火箭，飞行高度达到3 km。1942年10月3日，德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道导弹¡ª¡ªV¡ª2(A4型)，并于1944年9月6日首次投入作战使用。

V-2的成功在工程上实现了19世纪末、20世纪初航天技术先躯者的技术设想，并培养和造就了一大批有实践经验的火箭专家，对现代大型火箭的发展起到了继往开来的作用。V-2的设计虽不尽完善，但它却是人类拥有的第一件向地球引力挑战的工具，成为航天技术发展史上的一个重要里程碑。

• 1957年10月4日，前苏联用¡°卫星¡±号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空，卫星呈球形，外径O．58 m，外伸4根条形天线，质量83．6 kg，卫星在天上正常工作了3个月。按照今天的标准衡量，前苏联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆球，但它却是世界上第一个人造天体，把人类几千年的梦想变成了现实，为人类开创了航天新纪元，标志着人类活动范围的又一飞跃。

• 1961年4月12日，前苏联成功地发射了第一艘¡°东方号¡±载人飞船，尤里.加加林成为人类第一位航天员，揭开了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新时代。

• 1962年8月27日，美国发射的“水手2号”探测器第一次成功飞越金星。

• 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号¡±飞船登月成功，在月球静海西南角着陆，成为涉足地球之外另一天体的首批人员。他们在月球上安放了科学实验装置，拍摄了月面照片，搜集了22虹月球岩石与土壤样品，然后自月面起飞，与指挥舱会合，返回地球。首次实现了人类登上月球的理想。

• 1971年4月19日，前苏联¡°礼炮1号¡±空间站人轨成功，其质量约18 t，总长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，完成了有关天体物理学、航天、医学、生物学等方面的科研计划，考察地球资源和进行长期失重条件下的技术实验。
• 1972年3月2日，美国发射了木星和深远空间探测器¡°先驱者10号¡±。它携有表明人类信息的镀金铝板，经过11年飞行，于1983年6月越过海王星轨道，而后成为飞离太阳系的第一个人造天体。

• 1975年6月8日，前苏联发射了¡°金星9号¡±探测器，实现了在金星表面着陆。

• 1975年7月18日，美国¡°阿波罗号¡±飞船与前苏联¡°联盟19号¡±飞船在大西洋上空对接成功(视频资料)。
• 1975年8月20日，美国发射了¡°海盗1号¡±探测器，第一次在火星表面着陆成功(视频资料)。
• 1977年9月，美国发射了¡°旅行者2号¡±探测器，对天王星、海王星进行探测。

• 1981年4月，世界上第一架垂直起飞、水平着陆、可重复使用的美国航天飞机¡°哥伦比亚号¡±试飞成功，标志着航天运载器由一次性使用的运载火箭转向重复使用的航天运载器的新阶段，是航天史上一个重要的里程碑，标志着人类在空间时代又上了一层楼，进入了航天飞机时代。至2000年10月，航天飞机已成功飞行100次。

• 1986年2月，前苏联¡°和平号¡±轨道空间站发射成功，它成为目前人类发射的在轨运行时间最长的载人航天器，在轨运行超过15年。2001年3月23日，¡°和平号¡±轨道空间站被引入大气层销毁，完成了其辉煌的历史使命。

• 目前，更大规模的国际空间站在美国、俄罗斯、加拿大、日本、意大利和欧洲空间局的合作下，正在进行在轨组装建设¡­¡­
人类就是以如此快速的步伐冲击着宇宙大门!
• 不难看出，从公元10世纪的中国火箭到第二次世界大战的V一2导弹，人类是出于军事需求发展了火箭技术，而这恰恰为航天技术的发展奠定了坚实的基础。自20世纪40年代至今，航天技术以惊人的速度发展着并日臻完善。我们可以坚信，随着科学技术的进步和工业基础的不断增强，航天技术将会有更大的突破并更趋完善。

• 航天技术从20世纪50年代末期的研究试验阶段到70年代中期，发展到了广泛实际应用阶段。其中60年代以来，为科学研究、国民经济和军事服务的各种科学卫星与应用卫星得到了很大发展。至70年代，军、民用卫星已全面进入应用阶段。一方面向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋、天文观测和地球资源等专门化的方向发展，同时另一方面，各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本的方向发展。

• 回顾近50年来航天技术应用的历程，具有代表性的大事列举如下：
• 1958年12月，美国发射了世界上第一颗通信卫星¡°斯科尔号¡±；
• 1960年4月，美国先后发射了世界上第一颗气象卫星¡°泰罗斯1号¡±和导航卫星¡°子午仪1B号¡±；
• 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，美国成功地发射了世界上第一颗商用通信卫星¡°国际通信卫星1号¡±，正式为北美与欧洲之间提供通信业务，它标志着通信卫星进入了实用阶段；
• 1972年7月，美国发射了世界上第一颗地球资源卫星¡°陆地卫星1号¡±；
• 1982年11月，美国航天飞机开始商业性飞行；1984年11月，美国航天飞机成功地施放了两颗卫星并回收了两颗失效的通信卫星，第一次实现了双向运载任务；

• 1983年4月，美国发射了世界上第一颗跟踪和数据中继卫星；
• 1999年，由66颗小型卫星组网形成的美国¡°铱¡±星全球电话通讯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成为全世界各领域普遍应用的定位导航系统，发挥着巨大的作用。

• 在我国，继1970年4月24日首颗卫星¡°东方红一号¡±发射成功以来，航天技术的发展和应用也取得了巨大的成就：

• 1975年11月，我国第一颗返回式遥感卫星发射成功，并顺利回收；
• 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¡±发射成功；
• 至2000年10月，我国¡°长征¡±系列运载火箭已成功发射62次。

• 进入20世纪90年代，我国航天技术应用的步伐进一步加快，大容量通信卫星¡°东方红三号¡±、气象卫星¡°风云一号¡±和¡°风云二号¡±以及资源卫星先后发射成功。

• 1999年11月20日我国成功发射了第一艘试验飞船¡°神舟号¡±，在载人航天领域迈出了坚实的一步¡­¡­

综上可见，从1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功算起，迄今仅40余年，航天技术取得了如此巨大的成就是前所未有的，产生了巨大的社会效益与经济效益。
总之，随着航天技术应用的发展，航天活动已越来越显示出其巨大的军事意义和经济效益，已成为国民经济和国防建设的一个重要组成部分。反过来，这种社会和经济效益又进一步推动着航天技术日新月异的发展。

• 航天技术是一门研究和实现如何把航天器送人空间，并在那里进行活动的工程技术。它主要包括航天器、运载工具和地面测控三大部分。为了便于了解，我们首先对航天器进行分类。
• 同一个航天器可兼有数种任务，故机械地、绝对地分类，是不可能的。同一类航天器，往往包括了几种系列，而每一系列又可分成数种不同的卫星系统或型号。

• 航天器可分为无人航天器与载人航天器两大类。无人航天器按是否绕地球运行又可分为人造地球卫星和宇宙探测器两类。它们又可以进一步按用途分类，如图1.3所示。

• 简称人造卫星，是数量最多的航天器(占90％以上)。它们的轨道长度由i00多公里到几十万公里。按用途它们又可分为：

目前的载人航天器只在近地轨道飞行和从地球到月球的登月飞行。今后将出现可以到达各种星球的载人飞船，以及供人类长期在空间生活和工作的永久性空间站。载人航天器按飞行和工作方式可分为：

可以重复使用的，往返于地面和高度在1000 km以下的近地轨道之间，运送有效载荷的航天器。

3．宇宙探测器

旅行者1号 旅行者2号

• 按航天器在轨道上的功能来进行分类，就人造地球卫星而言，可分为观测站、中继站、基准站和轨道武器四类。每一类又包括了各种不同用途的航天器。

卫星处在轨道上，对地球来说，它站得高，看得远(视场大)，用它来观察地球是非常有利的。此外，由于卫星在地球大气层以外不受大气的各种干扰和影响，所以用它来进行天文观测也比地面天文观测站更加有利。属于这种功能的卫星有下列几种典型的用途。

在各类应用卫星中侦察卫星发射得最早(1959年发射)，发射的数量也最多。侦察卫星有照相侦察和电子侦察卫星两种。

资源卫星是在侦察卫星和气象卫星的基础上发展而来的。利用星上装载的多光谱遥感器获取地面目标辐射和反射的多种波段的电磁波，然后把它传送到地面，再经过处理，变成关于地球资源的有用资料。它们包括地面的和地下的，陆地的和海洋的等等。

海洋卫星的任务是海洋环境预报，包括远洋船舶的最佳航线选择，海洋渔群分析，近海与沿岸海洋资源调查，沿岸与近海海洋环境监测和监视，灾害性海况预报和预警，海洋环境保护和执法管理，海洋科学研究，以及海洋浮标、台站、船舶数据传输，海上军事活动等。

• 当然，作为观测站的卫星远不止以上几种，预警卫星、核爆炸探测卫星、天文预测卫星(如美国的“哈勃”太空望远镜)等均属于这一类。虽然它们的功能各有侧重，但基本观测原理都是相似的。

2．中继站

利用卫星进行通信和平常的地面通信相比较，具有下列优点：
①通信容量大；
②覆盖面积广；
③通信距离远；
④可靠性高；
⑤灵活性好；
⑥成本低。

广播卫星是一种主要用于电视广播的通信卫星。这种广播卫星不需要经过任何中转就可向地面转播或发射电视广播节目，供公众团体或者个人直接接收，因此又称为直播卫星。目前普通的家庭电视机配一架直径不到1m的天线就可以直接接收直播卫星的电视广播节目。

跟踪和数据中继卫星是通信卫星技术的一个重大发展。它是利用卫星来跟踪与测量另一颗卫星的位置，其基本思想是把地球上的测控站搬到地球同步轨道上，形成星地测控系统网。

3．基准站
这种卫星是轨道上的测量基准点，所以要求它测轨非常准确。属于这种功能的卫星有：

4．轨道武器
这是一种积极进攻的航天器，具有空间防御和空间攻击的职能。它主要包括：

不同类型的航天器，其系统的结构、外型和功能干差万别，但是它们的基本系统组成都是一致的。典型航天器都是由不同功能的若干分系统组成的，其基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。

1．有效载荷
用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。
有效载荷种类很多，随着飞行任务即航天器功能的不同而异。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、无线电侦察接收机，气象卫星上的可见光和红外扫描辐射仪，地球资源卫星上的电视摄像机、CCD摄像机、主题测绘仪、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，均属有效载荷。

• 单一用途的卫星装有一种类型的有效载荷，而多用途的卫星可以装有几种类型的有效载荷。
• 2．保障系统
• 用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止，星上所有分系统的正常工作。各种类型航天器的保障系统一般包括下列分系统：

(1)结构系统：用于支承和固定航天器上各种仪器设备，使它们构成一个整体，以承受地面运输、运载器发射和空间运行时的各种力学环境(振动、过载、冲击、噪声)以及空间运行环境。对航天器结构的基本要求是重量轻、可靠性高、成本低等，因此航天器的结构大多采用铝、镁、钛等轻合金和碳纤维复合材料等制造。通常用结构质量比，即结构重量占航天器总重量的比例来衡量航天器结构设计和制造水平。

(3)电源系统：用来为航天器所有仪器设备提供所需的电能。现代航天器大多采用太阳电池和蓄电池联合供电系统。
(4)姿态控制系统：用来保持或改变航天器的运行姿态。常用的姿态控制方式有重力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。
(5)轨道控制系统：用来保持或改变航天器的运行轨道。轨道控制往往与姿态控制配合，它们构成航天器控制系统。

(6)测控系统：包括遥测、遥控和跟踪三部分。遥测部分主要由传感器、调制器和发射机组成，用于测量并向地面发送航天器的各种仪器设备的工程参数(212作电压、电流、温度等)和其他参数(环境参数和姿态参数等)。遥控部分一般由接收机和译码器组成，用于接收地面测控站发来的遥控指令，传送给有关系统执行。跟踪部分主要是信标机和应答机，它们不断发出信号，以便地球测控站跟踪航天器并测量其轨道位置和速度。

除了以上基本系统组成外，航天器根据其不同的飞行任务，往往还需要有一些不同功能的专用系统。例如，返回式卫星有回收系统，载人飞船有乘员系统、环境控制与生命保障系统、交会与对接系统，航天飞机有着陆系统等。

一个刚体航天器的运动可以由它的位置、速度、姿态和姿态运动来描述。其中位置和速度描述航天器的质心运动，这属于航天器的轨道问题；姿态和姿态运动描述航天器绕质心的转动，属于姿态问题。从运动学的观点来说，一个航天器的运动具有6个自由度，其中3个位置自由度表示航天器的轨道运动，另外3个绕质心的转动自由度表示航天器的姿态运动。

航天器的控制可以分为两大类，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两方面的内容。轨道确定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，简称导航；轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标，对质心施以控制力，以改变其运动轨迹的技术，有时也称为制导。

轨道控制按应用方式可分为四类。
(1)轨道机动：
指使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，地球静止卫星发射过程中为进入地球静止轨道，在其转移轨道的远地点就须进行一次轨道机动。

(3)轨道交会：指航天器能与另一个航天器在同一时间以相同速度达到空间同一位置而实施的控制过程。
(4)再人返回控制：指使航天器脱离原来的轨道，返回进入大气层的控制。

2．姿态控制
姿态控制也包括姿态确定和姿态控制两方面内容。
姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。这个基准可以是惯性基准或者人们所感兴趣的某个基准，例如地球。
姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向(可称为参考方向)上定向的过程，它包括姿态稳定和姿态机动。姿态稳定是指使姿态保持在指定方向，而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。

姿态控制通常包括以下几个具体概念。
(1)定向：指航天器的本体或附件(如太阳能电池阵、观测设备、天线等)以单轴或三轴按一定精度保持在给定的参考方向上。此参考方向可以是惯性的，如天文观测；也可以是转动的，如对地观测。由于定向需要克服各种空间干扰以保持在参考方向上，因此需要通过控制加以保持。
(2)再定向：指航天器本体从对一个参考方向的定向改变到对另一个新参考方向的定向。再定向过程是通过连续的姿态机动控制来实现的。

(3)捕获：又称为初始对准，是指航天器由未知不确定姿态向已知定向姿态的机动控制过程。如航天器人轨时，星箭分离，航天器从旋转翻滚等不确定姿态进入对地对日定向姿态；又如航天器运行过程中因故障失去姿态后的重新定姿等。为了使控制系统设计更为合理，捕获一般分粗对准和精对准两个阶段进行。
(4)粗对准：指初步对准，通常须用较大的控制力矩以缩短机动的时间，但不要求很高的定向精度。
(5)精对准：指粗对准或再定向后由于精度不够而进行的修正机动，以保证定向的精度要求。精对准一般用较小的控制力矩。

(6)跟踪：指航天器本体或附件保持对活动目标的定向。
(7)搜索：指航天器对活动目标的捕获。
总之，姿态控制是获取并保持航天器在空间定向的过程。例如，卫星对地进行通信或观测，天线或遥感器要指向地面目标；卫星进行轨道控制时，发动机要对准所要求的推力方向；卫星再人大气层时，要求制动防热面对准迎面气流。这些都需要使星体建立和保持一定的姿态。

姿态稳定是保持已有姿态的控制，航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。
(1)自旋稳定：卫星等航天器绕其一轴(自旋轴)旋转，依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。自旋稳定常辅以主动姿态控制，来修正自旋轴指向误差。
(2)三轴稳定：依靠主动姿态控制或利用环境力矩，保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。

3．姿态控制与轨道控制的关系
航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说轨道控制与姿态控制密切相关。为实现轨道控制，航天器姿态必须符合要求。也就是说，当需要对航天器进行轨道控制时，同时也要求进行姿态控制。在某些具体情况或某些飞行过程中，可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求，而对航天器的姿态却有要求。

航天器控制按控制力和力矩的来源可以分为两大类。
(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，不需要消耗星上能源。

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，都有两种组成方式。

(1)星上自主控制：指不依赖于地面干预，完全由星载仪器实现的控制，其系统结构见图1．4

(2)地面控制：或称星一地大回路控制，指依赖于地面干预，由星载仪器和地面设备联合实现的控制，其结构见图1．5。

飞行器在地球大气层内的航行活动为航空。气球，飞艇是利用空气的浮力在大气层内飞行，飞机则是利用与空气相互作用产生的空气动力在大气层内飞行。飞机上的发动机依靠飞机携带的燃料（汽油）和大气中的氧气工作。

人类在征服大自然的漫长岁月中，早就产生了翱翔天空、遨游宇宙的愿望。在生产力和科学技术水平都很低下的时代，这种愿望只能停留在幻想的阶段。虽然人类很早就做过种种飞行的探索和尝试，但实现这一愿望还是从18世纪的热空气气球升空开始的。

航空器上，一般是将排泄物进行真空压缩后储存

自从20世纪初第一架带动力的、可操纵的飞机完成了短暂的飞行之后，人类在大气层中飞行的古老梦想才真正成为现实。经过许多杰出人物的艰苦努力，航空科学技术得到迅速发展，飞机性能不断提高。
1986年1月28日是寒冷的一天，在美国佛罗里达的卡那维拉尔角，比天气更让人心寒的是挑战者号航天飞机发生的悲剧。
这天早晨，成千上万名参观者聚集到肯尼迪航天中心，等待一睹挑战者号腾飞的壮观景象。上午11时38分，耸立在发射架上的挑战者号点火升空，直飞天穹，看台上一片欢腾。但航天飞机飞到73秒时，空中突然传来一声闷响，只见挑战者号顷刻之间爆裂成一团桔红色火球，碎片拖着火焰和白烟四散飘飞，坠落到大西洋。挑战者号发生爆炸，全世界为之震惊。
7名宇航员在这次事故中罹难，包括两名女宇航员。其中特别引人注目的是第一次以平民身份参加太空飞行的女教师麦考利夫。原计划她将在太空给她的学生进行现场授课，不幸的是麦考利夫壮志未酬，献出了宝贵的生命。根据调查这一事故的总统委员会的报告，爆炸是一个O型封环失效所致。这个封环位于右侧固体火箭推进器的两个低层部件之间。失效的封环使炽热的气体点燃了外部燃料罐中的燃料。O型封环会在低温下失效，尽管在发射前夕有些工程师警告不要在冷天发射，但是由于发射已被推迟了5次，所以警告未能引起重视。
挑战者号飞机是肯尼迪航天中心的第二架航天飞机。它以航行于大西洋和太平洋上的英国研究船挑战者号而命名。也许有人还记得阿波罗17号登月舱也叫挑战者号。就像它的前辈一样，航天飞机挑战者号也为人类的航天事业做出了巨大贡献。
1982年7月，挑战者号航天飞机成为美国可再度使用的带冀航天器，共成功完成了九次航天飞行任务。1986年1月28日美国的挑战者号航天飞机乘载七名宇航员，进行航天飞机的第10次飞行。在挑战者号十次的飞行任务中，共绕轨道飞行987次，太空停留时间累积69天。
挑战者号的失事曾使美国的航天事业受到沉重打击，航天飞机在以后的3年中停止了飞行。但是，在总结了挑战者号的教训之后，人类对太空的探测仍在继续。从航天飞机恢复飞行至今，已执行了76次飞行任务，包括组建国际空间站。挑战者号的宇航员是人类航天事业的先驱。
参加这次航天飞机的宇航员一共有七人。他们是：机长弗朗西斯·斯科比，四十六岁；驾驶员迈克尔·史密斯，四十岁；宇航员朱迪恩·雷斯尼克，三十六岁；罗纳德·麦克奈尔，三十五岁；埃利森，鬼冢，三十九岁；格里高利·杰维斯，四十一岁；女教师克里斯塔·麦考利夫，三十七岁。

飞行器在地球大气层内的航行活动为航空。气球，飞艇是利用空气的浮力在大气层内飞行，飞机则是利用与空气相互作用产生的空气动力在大气层内飞行。飞机上的发动机依靠飞机携带的燃料（汽油）和大气中的氧气工作。

航空与航天是20世纪人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域，也是人类文明高度发展的重要标志。

人类在征服大自然的漫长岁月中，早就产生了翱翔天空、遨游宇宙的愿望。在生产力和科学技术水平都很低下的时代，这种愿望只能停留在幻想的阶段。虽然人类很早就做过种种飞行的探索和尝试，但实现这一愿望还是从18世纪的热空气气球升空开始的。

自从20世纪初第一架带动力的、可操纵的飞机完成了短暂的飞行之后，人类在大气层中飞行的古老梦想才真正成为现实。经过许多杰出人物的艰苦努力，航空科学技术得到迅速发展，飞机性能不断提高。