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航天器指的是在大气层外空间运行的飞行器。我们知道,火箭也能够在太空中飞行,它是不是航天器呢?答案是否定的。火箭既飞行在大气层内,又飞行在大气层外,是负责运载的运载工具。
火箭是负责运载的运载工具
这么说来,航天器都包括哪些我们常见的飞行器呢?首先,按照是否载人,航天器可以分为无人航天器和载人航天器两大类。其中,无人航天器按运行方式,即围绕地球运行和脱离地球引力运行,又可分为人造地球卫星和空间探测器两类。而载人航天器则有载人飞船、空间站和航天飞机等类型。
航天器的分类
先说说我们日常工作生活最相关的人造地球卫星,它简称人造卫星,是目前数量最多的航天器。按应用目的可分为观察卫星、中继卫星和基准卫星等种类。观察卫星的任务是对地面、空中或空间目标进行观察,包括侦察卫星、地球资源卫星、天文卫星、气象卫星、预警卫星和科学探测卫星等。
地球资源卫星
中继卫星的任务是在空间起无线电信号“接力站”的作用,转传航天器之间、航天器与地球上不同地点之间的电话、电报、电视、传真以及互联网数据等,有通信卫星、跟踪测控卫星、数据中继卫星和直接广播卫星等。
通信卫星东方红二号
基准卫星的任务是为船舶、飞机导航,同时作为大地测量和目标定位的基准点,有导航卫星、测地卫星和全球定位系统卫星等。
卫星导航系统
空间探测器按探测对象可分为月球探测器、太阳探测器和深空探测器等。而深空探测器有行星探测器,比如金星探测器、火星探测器等,和行星际探测器。
朱诺探测器探测木星
载人航天器按飞行和工作方式分为载人飞船、空间站和航天飞机。载人飞船是能保障航天员在外层空间生活和工作,执行航天任务并安全返回地面的航天器。空间站又称航天站,是长期在空间轨道运行,可供多名航天员巡访、长期工作和居住的航天器。航天飞机是可重复使用、往返于地面和近地轨道或空间站之间运送有效载荷的飞行器。
礼炮6号空间站
早期的航天器,多是人造地球卫星,它携带的设备简单,构型通常是通舱结构。随着技术的发展,航天器也变得越来越复杂,它所携带的仪器设备也越来越多,这些设备对工作环境的要求各有不同,对航天器的结构要求就更高了。
首颗人造卫星斯泼尼克一号
后来,航天器采用了模块式的组合化设计。根据用途,可将航天器分为有效载荷舱、服务舱、推进舱、天线和太阳能电池阵等模块,载人航天器还有返回舱、制动舱和密封舱等。那么,卫星的各个舱在哪里呢?以我国通信卫星系列公用平台为例,它是由中心承力筒加箱形壁板结构组成的,包括通信舱、服务舱、推进舱、天线和太阳电池阵5个模块。其中,推进舱是中心筒承力结构,采用碳纤维复合材料波纹筒,内部装有推进剂贮箱。箱形壁板由碳纤维复合材料面板和铝蜂窝夹芯的夹层板构成。
我国通信卫星公用平台本体结构
同时,航天器在发射和在轨运行中的工作环境十分特殊,所以要求它既能一次性承受发射时的力学环境,比如过载、振动、噪声和冲击等,又能长期承受轨道上的空间环境,如真空、高低温交变、空间粒子和射线辐射等。那么,航天器的结构中有哪些小秘密呢?
外形百变
飞行在数百千米高空的航天器,基本上不会受到空气阻力的影响,它的外形不需要像大气中飞行的飞机、火箭那样拥有流线型构型,更加注重使用需要。所以,我们能够看到各种各样的航天器,有球体、锥体、圆柱体、方体、多面体,以及不规则的外形。
吃苦耐劳
航天器一生中都运行在空间轨道环境,所以要求选材耐真空、耐高低温交变、耐空间粒子和射线辐射,做到“百毒不侵”,并且满足真空环境下材料升华出气率的要求,以及特别注意考虑温度变化引起的热应力。
航天飞机
身轻如燕
一次航天发射,相较于大部分任何其他科研活动都可谓是所用不菲,所以人们总是希望航天器能够带上更多的实验仪器,进行更多的航天任务。在保证刚度和强度要求的条件下,就需要航天器的重量尽可能轻,为了携带更多的有效载荷,就需要对航天器不断地进行优化设计并采用先进的材料和工艺。
神舟号载人飞船
此外,载人飞船的返回舱以及返回式卫星再入时,会与地球大气层摩擦生热,温度达数千摄氏度。为了保护航天员、内部仪器以及舱体的安全,航天器需要采取热防护措施,保证航天器安全返回。
载人飞船返回舱返回时与大气层产生高温
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