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(cè)距儀,激光測(cè)距儀，是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。激光測(cè)距儀在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離。激光測(cè)距儀重量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單速度快而準(zhǔn)確，其誤差僅為其它光學(xué)測(cè)距儀的五分之一到數(shù)百分之一。,激光測(cè)距儀原理,利用紅外線測(cè)距或激光測(cè)距的原理 測(cè)距原理基本可以歸結(jié)為測(cè)量光往返目標(biāo)所需要時(shí)間，然后通

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

3、距儀，直接以光滑的墻面反射測(cè)量，主要是因?yàn)榫嚯x比較近，光反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度夠大。與此可以知道，一定要垂直，否則返回信號(hào)過(guò)于微弱將無(wú)法得到精確距離。3.可以測(cè)物體平面為漫反射通常也是可以的，實(shí)際工程中會(huì)采用薄塑料板作為反射面以解決漫反射嚴(yán)重的問(wèn)題。4.超聲波測(cè)距精度比較低，使用比較少。5.激光測(cè)距儀精度可達(dá)到1毫米誤差，適合各種高精度測(cè)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(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航

4、天和國(guó)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(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)，國(guó)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(jī)械式的陀螺儀，機(jī)械式的陀螺儀對(duì)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(guó)成為繼美法俄后，世界上第四個(gè)具備獨(dú)立研制激光陀螺能力的國(guó)家，為我國(guó)打破國(guó)際壟斷，在精確打擊武器的導(dǎo)航定位、姿態(tài)測(cè)量與控制、精確制導(dǎo)、平臺(tái)穩(wěn)定等方面全面趕超世界強(qiáng)國(guó)奠定了重要基礎(chǔ)。,激光陀螺及其軍事應(yīng)用,近

5、日，國(guó)內(nèi)媒體報(bào)道了國(guó)防科技大學(xué)激光陀螺創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的先進(jìn)事跡。該團(tuán)隊(duì)矢志不渝，三代人攻關(guān)43載，終于使我國(guó)成為繼美法俄后，世界上第四個(gè)具備獨(dú)立研制激光陀螺能力的國(guó)家，為我國(guó)打破國(guó)際壟斷，在精確打擊武器的導(dǎo)航定位、姿態(tài)測(cè)量與控制、精確制導(dǎo)、平臺(tái)穩(wěn)定等方面全面趕超世界強(qiáng)國(guó)奠定了重要基礎(chǔ)。不過(guò)，小陀螺如何與國(guó)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(shuō)起。許多人小時(shí)候一定玩過(guò)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(lái)，用鞭子抽得越狠，它就轉(zhuǎn)得越飛快，不會(huì)倒下。在日常生活中，我們也發(fā)現(xiàn)：如果一個(gè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)速度很快，它就會(huì)穩(wěn)定地立在一個(gè)地點(diǎn)不動(dòng)，轉(zhuǎn)速足夠快的時(shí)候，即使平板傾斜一些，它仍然不會(huì)倒，并且轉(zhuǎn)軸始終指向一個(gè)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(guò)將陀螺定軸方向與運(yùn)載體的軸心相比對(duì)，就能得出運(yùn)載體的正確方向和瞬時(shí)位置。而以陀

7、螺儀為核心部件，進(jìn)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(jī)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(yùn)載體精確定位與定向、穩(wěn)定運(yùn)行，更好地發(fā)揮武器的效能，激光陀螺無(wú)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(shí)際上是一種無(wú)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(dòng)時(shí)正反兩束光隨轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生頻率差的效應(yīng)，測(cè)定敏感物體相對(duì)于慣性空間的角速度或轉(zhuǎn)角，進(jìn)而測(cè)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(jìn)入同一環(huán)形光回路，分別沿順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蛳嘞騻鞑ァＨ绻尮饣芈防@垂直于自身的軸旋轉(zhuǎn)起來(lái)，這兩束光之間會(huì)產(chǎn)生相位差，利用光的干涉性能測(cè)出相位差，進(jìn)而得出光回路旋轉(zhuǎn)的角速度。如果光回路被制成一個(gè)環(huán)形激光器，其中傳播的光就是方向性好、聚束性強(qiáng)、相干性優(yōu)

9、的激光，因此就形成了一個(gè)能通過(guò)敏感角速度來(lái)測(cè)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(cè)量與控制、平臺(tái)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(jī)和精確打擊武器提供導(dǎo)航和制導(dǎo)所需要的實(shí)時(shí)航向、速度、高度、姿態(tài)等空間位置信息。使戰(zhàn)機(jī)能可靠飛行和靈活進(jìn)行高速戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)，并使精確打擊武器的射程和命中精度得到很大提升。同時(shí)，它還為機(jī)動(dòng)發(fā)射的彈道

10、導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈尋北提供方位基準(zhǔn)，使它們能實(shí)現(xiàn)快速定向定位，準(zhǔn)確地命中目標(biāo)?！　∑浯?，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(zhǔn)數(shù)據(jù)。使它們不依賴于任何外部信息，就能獨(dú)立地進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)中，實(shí)時(shí)感知車體上仰和下俯等動(dòng)作，自動(dòng)將火炮和機(jī)槍等武器穩(wěn)定在原定方向和位置，保證武器瞄準(zhǔn)和射擊時(shí)不受車體行進(jìn)過(guò)程的影響?！　〉谒?，作為航天器姿態(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(duì)準(zhǔn)地球覆蓋區(qū)，準(zhǔn)確完成對(duì)地面轉(zhuǎn)發(fā)和傳播信號(hào)以及對(duì)地面目標(biāo)的探測(cè)?！　〉谖?，用于運(yùn)載火箭的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中。簡(jiǎn)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(qiáng)火箭的飛行穩(wěn)定性，同時(shí)降低火箭的發(fā)射重量，增大火箭的運(yùn)載能力，提高航天器的入軌精度以及機(jī)動(dòng)性和變軌能力,激光陀螺儀工作原理,陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量會(huì)很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)為依據(jù)，用它來(lái)保持一定的

12、方向，制造出來(lái)的定向儀器。不過(guò)它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大（也可以說(shuō)是角動(dòng)量要夠大）。不然，只要一個(gè)很小的力矩，就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性，所以設(shè)置在飛機(jī)、飛彈中的陀螺儀是靠?jī)?nèi)部所提供的動(dòng)力，使其保持高速轉(zhuǎn)動(dòng)的。,1986年,挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)解體，所有的航天飛機(jī)停飛兩年。2003 年，此前剛執(zhí)行過(guò)第4 次維修哈勃空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在返回時(shí)失事，所有的航天飛機(jī)再次停飛兩年停飛兩年。,,哈勃空間望遠(yuǎn)鏡,哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，（Hu

13、bble Space Telescope，縮寫為HST）[1] ，是以天文學(xué)家愛(ài)德溫?哈勃為名，在軌道上環(huán)繞著地球的望遠(yuǎn)鏡，它的位置在地球的大氣層之上，因此影像不會(huì)受到大氣湍流的擾動(dòng)，視相度絕佳又沒(méi)有大氣散射造成的背景光，還能觀測(cè)會(huì)被臭氧層吸收的紫外線。它于1990年成功發(fā)射，彌補(bǔ)了地面觀測(cè)的不足，幫助天文學(xué)家解決了許多天文學(xué)上的基本問(wèn)題，使得人類對(duì)天文物理有更多的認(rèn)識(shí)。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(yuǎn)鏡，

14、天文學(xué)家們首次拍攝到圍繞遙遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡在太陽(yáng)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(cè)量多個(gè)系外行星的大氣光譜信號(hào)特征與強(qiáng)度，并進(jìn)行比較。,原理,大氣層中的大氣湍流與散射，以及會(huì)吸收紫外線的臭氧層，這些因素都限定了地面上望遠(yuǎn)鏡做進(jìn)一步的觀測(cè)。太空望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)使天文學(xué)家成功地?cái)[脫地面條件的限制，并獲得更加清晰與更廣泛波段的觀測(cè)圖像。一架蘇聯(lián)A-60機(jī)載激光

15、武器試驗(yàn)機(jī)上的徽標(biāo)，明確顯示出以激光武器攻擊哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的圖像。因而引發(fā)對(duì)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡是否單純用于和平用途的爭(zhēng)論，以及反對(duì)太空軍事化的抗議。更有陰謀論者進(jìn)一步指出：哈勃空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的光學(xué)部分是整個(gè)儀器的心臟。它采用卡塞格林式反射系統(tǒng)，由兩個(gè)雙曲面反射鏡組成，一個(gè)是口徑2.4米的主鏡、另一個(gè)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(guò)中心孔到達(dá)主鏡的焦面上形成高質(zhì)量的圖像，供各種科學(xué)儀器進(jìn)行精密處理，得出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)回地面。,高速光度計(jì),高速光度計(jì)是安裝在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)儀器之一，他被設(shè)計(jì)得能夠快速的測(cè)量天體的光度變化和偏極性。它可以在紫外線、可見(jiàn)光和近紅外線的波段上，每10微秒測(cè)量一次光度。新穎的設(shè)計(jì)使它能透過(guò)各種濾鏡和孔徑去觀察，卻沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)的機(jī)件。高速光度計(jì)是隨著哈勃太空望遠(yuǎn)鏡一起升空的儀器之

17、一，但因?yàn)橹麋R的光學(xué)問(wèn)題而未能成功的使用。在1993年12月，第一次的哈勃維護(hù)任務(wù)中，就被為矯正其他儀器的光學(xué)問(wèn)題的太空望遠(yuǎn)鏡光軸補(bǔ)償校正光學(xué)（COSTAR）替換掉,廣域和行星照相機(jī)（WFPC）,廣域和行星照相機(jī)（WFPC）（發(fā)音如同wiffpick）是安置在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的一架照相機(jī)。他是在哈勃發(fā)射時(shí)就安裝在上面的儀器之一，但是他的功能因?yàn)橹麋R的光學(xué)瑕疵而被嚴(yán)重的削弱。而即使在哈勃太空望遠(yuǎn)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(cè)上產(chǎn)生可貴且有價(jià)值的高解析力圖像。廣域和行星照相機(jī)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室的管理下完成設(shè)計(jì)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(hào)。 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(qiáng)烈的建議應(yīng)該考慮在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的儀器上使用。廣域和行星照相機(jī)

19、包含了兩架獨(dú)立的相機(jī)，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(jī)的每個(gè)畫素視野為0.1弧秒，在犧牲角解析力的情況下可以對(duì)光度微弱的天體進(jìn)行全景觀測(cè)。行星照相機(jī)每個(gè)畫素的解析力為0.043弧秒，用于高分辨率的觀測(cè)。利用一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)45度的四面體的金字塔來(lái)選擇使用的相機(jī)。,WFPC2,3,在1993年12月STS-61的維修任務(wù)中，廣域和行星照相機(jī)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(jī)，新機(jī)稱為WFPC-2。 WFPC-2 是由原先的備用機(jī)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(lái)的 WFPC 的殼（真會(huì)廢物利用啊 ），使用兩個(gè) 2048x4096px 的 CCD 在可見(jiàn)光／紫外線波段進(jìn)行觀測(cè)，再加上另外的一個(gè)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(yuǎn)鏡（哈勃的「后繼者」）將使用的設(shè)備的開(kāi)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(jī)專用的電子記錄設(shè)備之一。它能把飛機(jī)停止工作或失事墜毀前半小時(shí)的語(yǔ)音對(duì)話和兩小時(shí)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(shí)間，還有飛機(jī)系統(tǒng)工作狀況和發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)等飛行參數(shù)都記錄下來(lái)，需要時(shí)把所記錄的內(nèi)容解碼，供飛行實(shí)驗(yàn)、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(jī)制造水平的不斷進(jìn)步而快速發(fā)展，一般行業(yè)內(nèi)比較認(rèn)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(jì)50年代初，是在飛機(jī)設(shè)計(jì)試飛記錄設(shè)備的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，其工作原理為通過(guò)在金屬箔帶上用針留下劃痕來(lái)反映數(shù)據(jù)變化曲線，僅能記錄航向、高度、空速、垂直過(guò)載和時(shí)間等5個(gè)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(jì)50年代末，其工作原理類似于普通磁帶機(jī)，但在磁帶機(jī)外面加裝了具有抗沖擊、耐火燒等能力的保護(hù)外殼，按照美國(guó)聯(lián)邦航空局當(dāng)時(shí)頒布的第一個(gè)黑匣子標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)更新為TSO-C51a，將抗強(qiáng)沖擊指標(biāo)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(gè)參數(shù)，并同時(shí)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(jì)90年代。隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，黑匣子開(kāi)始采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)，隨著對(duì)飛機(jī)墜毀時(shí)黑匣子破壞情況的不

24、斷深入認(rèn)識(shí)，黑匣子的抗墜毀能力標(biāo)準(zhǔn)更新為TSO-C124，抗強(qiáng)沖擊指標(biāo)提高到3400g，1100℃高溫火燒時(shí)間提高到60分鐘，耐海水浸泡時(shí)間由36小時(shí)增加到30天，增加了耐6000米深海壓力要求。1996年，美國(guó)聯(lián)邦航空局發(fā)布了TSO-C124a標(biāo)準(zhǔn)，增加了抗260℃、10小時(shí)的火燒要求。第三代黑匣子記錄參數(shù)一般在幾百個(gè)，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(jī)故障診斷與維護(hù)。目前部分型號(hào)仍在使用。,第四代（增強(qiáng)型半導(dǎo)體固態(tài)