航空航天與現(xiàn)代科學(xué)儀器

1、航天航空儀器,三組吳犇寅,激光測距儀,激光測距儀，是利用激光對目標的距離進行準確測定的儀器。激光測距儀在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準確，其誤差僅為其它光學(xué)測距儀的五分之一到數(shù)百分之一。,激光測距儀原理,利用紅外線測距或激光測距的原理 測距原理基本可以歸結(jié)為測量光往返目標所需要時間，然后通

2、過光速c =299792458m/s 和大氣折射系數(shù)n 計算出距離D。由于直接測量時間比較困難，通常是測定連續(xù)波的相位，稱為測相式測距儀。當(dāng)然，也有脈沖式測距儀，典型的是WILD的DI-3000。 需要注意，測相并不是測量紅外或者激光的相位，而是測量調(diào)制在紅外或者激光上面的信號相位。建筑行業(yè)有一種手持式的激光測距儀，用于房屋測量，其工作原理與此相同。2.測物體平面必須與光線垂直通常精密測距需要全反射棱鏡配合，而房屋量測用的測

3、距儀，直接以光滑的墻面反射測量，主要是因為距離比較近，光反射回來的信號強度夠大。與此可以知道，一定要垂直，否則返回信號過于微弱將無法得到精確距離。3.可以測物體平面為漫反射通常也是可以的，實際工程中會采用薄塑料板作為反射面以解決漫反射嚴重的問題。4.超聲波測距精度比較低，使用比較少。5.激光測距儀精度可達到1毫米誤差，適合各種高精度測量用途。,激光陀螺儀,現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航

4、天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀，機械式的陀螺儀對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的精度受到了很多方面的制約。我國成為繼美法俄后，世界上第四個具備獨立研制激光陀螺能力的國家，為我國打破國際壟斷，在精確打擊武器的導(dǎo)航定位、姿態(tài)測量與控制、精確制導(dǎo)、平臺穩(wěn)定等方面全面趕超世界強國奠定了重要基礎(chǔ)。,激光陀螺及其軍事應(yīng)用,近

5、日，國內(nèi)媒體報道了國防科技大學(xué)激光陀螺創(chuàng)新團隊的先進事跡。該團隊矢志不渝，三代人攻關(guān)43載，終于使我國成為繼美法俄后，世界上第四個具備獨立研制激光陀螺能力的國家，為我國打破國際壟斷，在精確打擊武器的導(dǎo)航定位、姿態(tài)測量與控制、精確制導(dǎo)、平臺穩(wěn)定等方面全面趕超世界強國奠定了重要基礎(chǔ)。不過，小陀螺如何與國防科技聯(lián)系在了一起，激光陀螺是什么，許多人未必了解。,“陀螺原理”及傳統(tǒng)陀螺,先從陀螺說起。許多人小時候一定玩過一種玩具陀螺“冰猴”。腳尖身

6、圓的“冰猴”放在地上，用一根繩子做的鞭子猛抽“冰猴”，“猴身”就能轉(zhuǎn)起來，用鞭子抽得越狠，它就轉(zhuǎn)得越飛快，不會倒下。在日常生活中，我們也發(fā)現(xiàn)：如果一個物體旋轉(zhuǎn)時速度很快，它就會穩(wěn)定地立在一個地點不動，轉(zhuǎn)速足夠快的時候，即使平板傾斜一些，它仍然不會倒，并且轉(zhuǎn)軸始終指向一個固定方向。這就是物體的“定軸特性”?？茖W(xué)家利用“定軸特性”制造出能定向和定位的陀螺儀，通過將陀螺定軸方向與運載體的軸心相比對，就能得出運載體的正確方向和瞬時位置。而以陀

7、螺儀為核心部件，進而組裝出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或制導(dǎo)系統(tǒng)。因此，陀螺是航天、航空、航海裝備及很多武器裝備在作戰(zhàn)中不可缺少的定位和導(dǎo)航裝置。傳統(tǒng)的慣性陀螺主要是指機電陀螺，但其穩(wěn)定性以及定向與定位精度不夠，不能滿足現(xiàn)代武器精確打擊的要求?？蒲腥藛T一直希望能找到更好的陀螺儀，幫助運載體精確定位與定向、穩(wěn)定運行，更好地發(fā)揮武器的效能，激光陀螺無疑是一種很好的替代品。,何為激光陀螺?,科技名詞定義：激光陀螺，學(xué)名“環(huán)形激光器”。實際上是一種無質(zhì)量的光

8、學(xué)陀螺儀，利用環(huán)形激光器在慣性空間轉(zhuǎn)動時正反兩束光隨轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生頻率差的效應(yīng)，測定敏感物體相對于慣性空間的角速度或轉(zhuǎn)角，進而測定物體方向等。原理：一束光經(jīng)分光器被分成完全相同的兩束光后，進入同一環(huán)形光回路，分別沿順時針方向和逆時針方向相向傳播。如果讓光回路繞垂直于自身的軸旋轉(zhuǎn)起來，這兩束光之間會產(chǎn)生相位差，利用光的干涉性能測出相位差，進而得出光回路旋轉(zhuǎn)的角速度。如果光回路被制成一個環(huán)形激光器，其中傳播的光就是方向性好、聚束性強、相干性優(yōu)

9、的激光，因此就形成了一個能通過敏感角速度來測定方向與姿態(tài)并具有快速尋北與穩(wěn)定作用的激光陀螺。主要作用：主要用于精確打擊武器的導(dǎo)航定位、姿態(tài)測量與控制、平臺穩(wěn)定，為它們有效完成作戰(zhàn)任務(wù)提供更好的保障。,在軍事上的主要應(yīng)用,首先，激光陀螺用于為各類戰(zhàn)機和精確打擊武器提供導(dǎo)航和制導(dǎo)所需要的實時航向、速度、高度、姿態(tài)等空間位置信息。使戰(zhàn)機能可靠飛行和靈活進行高速戰(zhàn)術(shù)機動，并使精確打擊武器的射程和命中精度得到很大提升。同時，它還為機動發(fā)射的彈道

10、導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈尋北提供方位基準，使它們能實現(xiàn)快速定向定位，準確地命中目標。　　其次，為艦艇、潛艇和制導(dǎo)魚雷提供航向、航深、航速和位置等基準數(shù)據(jù)。使它們不依賴于任何外部信息，就能獨立地進行實時導(dǎo)航?！　〉谌?，作為穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分。使坦克、裝甲車等陸地戰(zhàn)車在行進中，實時感知車體上仰和下俯等動作，自動將火炮和機槍等武器穩(wěn)定在原定方向和位置，保證武器瞄準和射擊時不受車體行進過程的影響?！　〉谒模鳛楹教炱髯藨B(tài)和軌道控制系統(tǒng)的重要

11、組成部分，協(xié)助衛(wèi)星保持正確姿態(tài)，使其天線波束始終能對準地球覆蓋區(qū)，準確完成對地面轉(zhuǎn)發(fā)和傳播信號以及對地面目標的探測?！　〉谖?，用于運載火箭的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中。簡化導(dǎo)引和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小火箭的控制難度，增強火箭的飛行穩(wěn)定性，同時降低火箭的發(fā)射重量，增大火箭的運載能力，提高航天器的入軌精度以及機動性和變軌能力,激光陀螺儀工作原理,陀螺儀基本上就是運用物體在高速旋轉(zhuǎn)時，角動量會很大，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質(zhì)為依據(jù)，用它來保持一定的

12、方向，制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大（也可以說是角動量要夠大）。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩(wěn)定性，所以設(shè)置在飛機、飛彈中的陀螺儀是靠內(nèi)部所提供的動力，使其保持高速轉(zhuǎn)動的。,1986年,挑戰(zhàn)者號航天飛機解體，所有的航天飛機停飛兩年。2003 年，此前剛執(zhí)行過第4 次維修哈勃空間望遠鏡任務(wù)的哥倫比亞號航天飛機在返回時失事，所有的航天飛機再次停飛兩年停飛兩年。,,哈勃空間望遠鏡,哈勃空間望遠鏡，（Hu

13、bble Space Telescope，縮寫為HST）[1] ，是以天文學(xué)家愛德溫?哈勃為名，在軌道上環(huán)繞著地球的望遠鏡，它的位置在地球的大氣層之上，因此影像不會受到大氣湍流的擾動，視相度絕佳又沒有大氣散射造成的背景光，還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。它于1990年成功發(fā)射，彌補了地面觀測的不足，幫助天文學(xué)家解決了許多天文學(xué)上的基本問題，使得人類對天文物理有更多的認識。是天文史上最重要的儀器之一。2011年11月，借助哈勃空間望遠鏡，

14、天文學(xué)家們首次拍攝到圍繞遙遠黑洞存在的盤狀構(gòu)造。2013年12月，天文學(xué)家利用哈勃太空望遠鏡在太陽系外發(fā)現(xiàn)5顆行星，它們的大氣層中都有水存在的跡象，是首次能確定性地測量多個系外行星的大氣光譜信號特征與強度，并進行比較。,原理,大氣層中的大氣湍流與散射，以及會吸收紫外線的臭氧層，這些因素都限定了地面上望遠鏡做進一步的觀測。太空望遠鏡的出現(xiàn)使天文學(xué)家成功地擺脫地面條件的限制，并獲得更加清晰與更廣泛波段的觀測圖像。一架蘇聯(lián)A-60機載激光

15、武器試驗機上的徽標，明確顯示出以激光武器攻擊哈勃空間望遠鏡的圖像。因而引發(fā)對哈勃空間望遠鏡是否單純用于和平用途的爭論，以及反對太空軍事化的抗議。更有陰謀論者進一步指出：哈勃空間望遠鏡初期的“近視”缺陷乃有意為之，直至蘇聯(lián)解體后兩年才加以修正。,光學(xué)系統(tǒng),望遠鏡的光學(xué)部分是整個儀器的心臟。它采用卡塞格林式反射系統(tǒng)，由兩個雙曲面反射鏡組成，一個是口徑2.4米的主鏡、另一個是裝在主鏡前約4.5米處的副鏡，口徑0.3米。投射到主鏡上的光線首先反

16、射到副鏡上，然后再由副鏡射向主鏡的中心孔，穿過中心孔到達主鏡的焦面上形成高質(zhì)量的圖像，供各種科學(xué)儀器進行精密處理，得出來的數(shù)據(jù)通過中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)回地面。,高速光度計,高速光度計是安裝在哈勃太空望遠鏡的科學(xué)儀器之一，他被設(shè)計得能夠快速的測量天體的光度變化和偏極性。它可以在紫外線、可見光和近紅外線的波段上，每10微秒測量一次光度。新穎的設(shè)計使它能透過各種濾鏡和孔徑去觀察，卻沒有任何運動的機件。高速光度計是隨著哈勃太空望遠鏡一起升空的儀器之

17、一，但因為主鏡的光學(xué)問題而未能成功的使用。在1993年12月，第一次的哈勃維護任務(wù)中，就被為矯正其他儀器的光學(xué)問題的太空望遠鏡光軸補償校正光學(xué)（COSTAR）替換掉,廣域和行星照相機（WFPC）,廣域和行星照相機（WFPC）（發(fā)音如同wiffpick）是安置在哈勃太空望遠鏡上的一架照相機。他是在哈勃發(fā)射時就安裝在上面的儀器之一，但是他的功能因為主鏡的光學(xué)瑕疵而被嚴重的削弱。而即使在哈勃太空望遠鏡有像差的情況下，仍然有一定數(shù)量的發(fā)現(xiàn)。他在

18、明亮天體的觀測上產(chǎn)生可貴且有價值的高解析力圖像。廣域和行星照相機是由任教于加州理工學(xué)院的行星科學(xué)家詹姆斯 A. 韋士伐提議的，并且在噴射推進實驗室的管理下完成設(shè)計和制造。在他提議的年代，1976，CCD（CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。）幾乎未曾用在天文學(xué)的影像處理上，但是他的高解析力，讓天文學(xué)家強烈的建議應(yīng)該考慮在哈勃太空望遠鏡的儀器上使用。廣域和行星照相機

19、包含了兩架獨立的相機，每架都有四片德州儀器的800X800畫素CCD，構(gòu)成了相鄰接的視野。廣域照相機的每個畫素視野為0.1弧秒，在犧牲角解析力的情況下可以對光度微弱的天體進行全景觀測。行星照相機每個畫素的解析力為0.043弧秒，用于高分辨率的觀測。利用一個可以轉(zhuǎn)動45度的四面體的金字塔來選擇使用的相機。,WFPC2,3,在1993年12月STS-61的維修任務(wù)中，廣域和行星照相機被新的第二代替換，為了避免混淆，通常WFPC就是第一代的廣

20、域和行星照相機，新機稱為WFPC-2。 WFPC-2 是由原先的備用機改良的，主要是修正了主鏡的像差。WFPC3 使用的是當(dāng)年從哈勃上帶下來的 WFPC 的殼（真會廢物利用啊 ），使用兩個 2048x4096px 的 CCD 在可見光／紫外線波段進行觀測，再加上另外的一個紅外線感光器，專司紅外線波段。紅外線感光器是 James Webb 太空望遠鏡（哈勃的「后繼者」）將使用的設(shè)備的開路先鋒。,黑匣子,什么是黑匣子？黑匣子學(xué)名航空飛行

21、記錄器，是飛機專用的電子記錄設(shè)備之一。它能把飛機停止工作或失事墜毀前半小時的語音對話和兩小時的飛行高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情況、耗油量、起落架放收、格林尼治時間，還有飛機系統(tǒng)工作狀況和發(fā)動機工作參數(shù)等飛行參數(shù)都記錄下來，需要時把所記錄的內(nèi)容解碼，供飛行實驗、事故分析之用。,黑匣子發(fā)展歷程,黑匣子伴隨著飛行安全的迫切需求以及飛機制造水平的不斷進步而快速發(fā)展，一般行業(yè)內(nèi)比較認同將黑匣子從誕生到眼下發(fā)展分為四代,第一代（鉑帶記錄

22、器）,第一代黑匣子：誕生于上世紀50年代初，是在飛機設(shè)計試飛記錄設(shè)備的基礎(chǔ)上改進而來的，其工作原理為通過在金屬箔帶上用針留下劃痕來反映數(shù)據(jù)變化曲線，僅能記錄航向、高度、空速、垂直過載和時間等5個飛行參數(shù)。已淘汰。,第二代（磁帶記錄器）,第二代黑匣子：出現(xiàn)于上世紀50年代末，其工作原理類似于普通磁帶機，但在磁帶機外面加裝了具有抗沖擊、耐火燒等能力的保護外殼，按照美國聯(lián)邦航空局當(dāng)時頒布的第一個黑匣子標準TSO-C51，要求黑匣子能夠承受10

23、0g（重力加速度）、持續(xù)11ms的沖擊，以及1100℃、30分鐘的火燒。1966年標準更新為TSO-C51a，將抗強沖擊指標提高到1000g，并增加了抗穿透、靜態(tài)擠壓、耐海水浸泡、耐腐蝕液體浸泡等要求。第二代黑匣子一般可以記錄幾十個參數(shù)，并同時出現(xiàn)了座艙音頻記錄器。已基本淘汰。,第三代（半導(dǎo)體固態(tài)記錄器）,第三代黑匣子：出現(xiàn)于上世紀90年代。隨著微電子技術(shù)的突飛猛進，黑匣子開始采用半導(dǎo)體存儲器記錄數(shù)據(jù)，隨著對飛機墜毀時黑匣子破壞情況的不

24、斷深入認識，黑匣子的抗墜毀能力標準更新為TSO-C124，抗強沖擊指標提高到3400g，1100℃高溫火燒時間提高到60分鐘，耐海水浸泡時間由36小時增加到30天，增加了耐6000米深海壓力要求。1996年，美國聯(lián)邦航空局發(fā)布了TSO-C124a標準，增加了抗260℃、10小時的火燒要求。第三代黑匣子記錄參數(shù)一般在幾百個，功能已從飛行事故調(diào)查，逐漸延伸到日常飛行員監(jiān)控、飛機故障診斷與維護。目前部分型號仍在使用。,第四代（增強型半導(dǎo)體固態(tài)