基本介紹
航天器，又稱空間飛行器、太空載具等，是指在地球大氣層以外的宇宙空間中，基本按照天體力學的規律運動的各種飛行器。載人航天器家族中有三個成員：載人飛船、空間站和航天飛機。
航天器基本上是無動力的，依靠運載火箭，通常為第二級火箭提供的初速來運動。運載火箭在燃料耗盡後就自動分離，向地球下落；航天器或者進入繞地球軌道，或者在給以動量情況下，繼續飛向太空目的地。
航天器本身也可能裝有小型液體火箭發動機供機動飛行之用。在美國的“阿波羅”月球探測計劃中，登月艙就裝有火箭發動機，以便從月球起飛，飛回軌道上的“阿波羅”号飛船。飛船本身也得有足夠的火箭動力使其脫離月球軌道返回地球。
航天器的設計異常複雜，尤其是載人航天器。它包含幾百萬個部件，要求高度微型化但可靠率要達到99.9999％以上。如果汽車的零件達到同樣的可靠度的話，那麼在首次故障之前，就可運行100年。
航天器還需要電源來帶動所攜帶的各種設備。不載人的航天器大多采用太陽電池闆和相連的蓄電池。在載人航天器上，包括在“太空實驗室”上通常用燃料電池，有時則為燃料電池與太陽電池的組合。
航天器還可能包含實驗艙與資源倉，實驗艙前端安裝被動對接機構及交會對接測量合作目标，與飛船對接後，可形成直徑0.8米的轉移通道。資源艙為柱狀非密封艙，配置推進系統、太陽電池翼等，為空間飛行提供動力和能源。
分類
航天器根據是否載人分為無人航天器和載人航天器。
無人航天器根據是否環繞地球運行則被分為人造地球衛星和空間探測器。
按照航天器的用途和結構形式，還可以将它們進一步進行細分，無人航天器和載人航天器。
組成結構
航天器在宇宙空間運動，是由于天體引力場的作用，它的速度是由發射的運載器提供的，根據不同的任務，可選擇和設計不同的軌道。大多數航天器不帶飛行動力裝置，它一般由專用系統（有效載荷，不同用途的航天器裝有不同的專用艙）和保障系統（包括結構系統、電源系統、姿态控制系統、無線電測控系統、生命保障系統、應急救生系統、返回着陸系統等）組成。
專用系統
不同用途航天器的主要區别在于裝有不同的專用系統。專用系統種類很多，随航天器執行的任務不同而異。例如，天文衛星的天文望遠鏡、光譜儀和粒子探測器，偵察衛星的可見光照相機、電視攝像機或無線電偵察接收機，通信衛星的轉發器和通信天線，導航衛星的雙頻發射機、高精度振蕩器或原子鐘等。單一用途航天器裝有一種類型的專用系統，多用途航天器裝有幾種類型的專用系統。
保障系統
各種類型航天器的保障系統往往是相同或類似的，一般包括以下一些系統：
結構系統：用于支承和固定航天器上的各種儀器設備，使它們構成一個整體，以承受地面運輸、運載器發射和空間運行時的各種力學和空間環境。結構形式主要有整體結構、密封艙結構、公用艙結構、載荷艙結構和展開結構等。航天器的結構大多采用鋁、鎂、钛等輕合金和增強纖維複合材料。
熱控制系統：又稱溫度控制系統，用來保障各種儀器設備在複雜的環境中處于允許的溫度範圍内。航天器熱控制的措施主要有表面處理（抛光、鍍金或噴刷塗料），包覆多層隔熱材料，使用熱控百葉窗、熱管和電加熱器等。
電源系統：用來為航天器所有儀器設備提供所需的電能。人造地球衛星大多采用蓄電池電源和太陽電池陣電源系統，空間探測器采用太陽電池陣電源系統或空間核電源，載人航天器大多采用氫氧燃料電池或太陽電池陣電源系統。
姿态控制系統：用來保持或改變航天器的運行姿态。航天器一般都需要姿态控制，例如使偵察衛星的可見光照相機鏡頭對準地面，使通信衛星的天線指向地球上某一區域等。常用的姿态控制方式有三軸姿态控制、自旋穩定、重力梯度穩定和磁力矩控制等（見航天器姿态控制）。
軌道控制系統：用來保持或改變航天器的運行軌道。航天器軌道控制以軌道機動發動機提供動力，由程序控制裝置控制或地面航天測控站遙控。軌道控制往往與姿态控制配合，它們構成航天器控制系統。
無線電測控系統：包括無線電跟蹤、遙測和遙控3個部分。跟蹤部分主要有信标機和應答機。它們不斷發出信号，以便地面測控站跟蹤航天器并測量其軌道。遙測部分主要由傳感器、調制器和發射機組成，用于測量并向地面發送航天器的各種儀器設備的工程參數（工作電壓、溫度等）和其他參數（探測儀器測量到的環境數據、敏感器測量到的航天器姿态數據等）。遙控部分一般由接收機和譯碼器組成，用于接收地面測控站發來的遙控指令，傳送給有關系統執行。
回着陸系統：用于保障返回型航天器安全、準确地返回地面。它一般由制動火箭、降落傘、着陸裝置、标位裝置和控制裝置等組成。在月球或其他行星上着陸的航天器配有着陸系統，其功用和組成與返回型航天器着陸系統類似。
生命保障系統：載人航天器生命保障系統用于維持航天員正常生活所必需的設備和條件，一般包括溫、濕度調節、供水供氧、空氣淨化和成分檢測、廢物排除和封存、食品保管和制作、水的再生等設備。
應急救生系統：當航天員在任一飛行階段發生意外時，用以保證航天員安全返回地面。它一般包括救生塔、彈射座椅、分離座艙等救生設備。它們都有獨立的控制、生命保障、防熱和返回着陸等系統。
計算機系統：用于存貯各種程序、進行信息處理和協調管理航天器各系統工作。例如，對地面遙控指令進行存貯、譯碼和分配，對遙測數據作預處理和數據壓縮，對航天器姿态和軌道測量參數進行坐标轉換、軌道參數計算和數字濾波等。航天器計算機有單機、雙機和多機系統。
運行原理
物理學原理
航天器在天體引力場作用下，基本上按天體力學的規律在空間運動。它的運動方式主要有兩種：環繞地球運行和飛離地球在行星際空間航行。環繞地球運行軌道是以地球為焦點之一的橢圓軌道或以地心為圓心的圓軌道。行星際空間航行軌道大多是以太陽為焦點之一的橢圓軌道的一部分。
運動方式
航天器大多不攜帶飛行動力裝置，在極高真空的宇宙空間靠慣性自由飛行。航天器的運動速度為八到十幾公裡每秒，這個速度是由運載器提供的。航天器的軌道是事先按照航天任務來選擇和設計的。有些航天器帶有動力裝置用以變軌或軌道保持。
運行安全
航天器由運載器發射送入宇宙空間，長期處在高真空、強輻射、失重的環境中，有的還要返回地球或在其他天體上着陸，經曆各種複雜環境。航天器工作環境比航空器環境條件惡劣得多，也比火箭和導彈工作環境複雜。發射航天器需要比自身重幾十倍到上百倍的運載器，航天器入軌後,需要正常工作幾個月、幾年甚至十幾年。因此，重量輕、體積小、高可靠、長壽命和承受複雜環境條件的能力是航天器材料、器件和設備的基本要求，也是航天器設計的基本原則之一。對于載人航天器，可靠性要求更為突出。
控制技術
絕大多數航天器為無人飛行器，各系統的工作要依靠地面遙控或自動控制。航天員對載人航天器各系統的工作能夠參與監視和控制，但是仍然要依賴于地面指揮和控制。航天器控制主要是借助地面和航天器上的無線電測控系統配合完成的。航天器工作的安排、監測和控制通常由航天測控和數據采集網或用戶台站(網)的中心站的工作人員實施。随着航天器計算機系統功能的增強，航天器自動控制能力在不斷提高。
系統技術
航天器的電源不僅要求壽命長，比能量大，而且還要功率大，從幾十瓦到幾千瓦。它使用的太陽電池陣電源系統、燃料電池和核電源系統都比較複雜，涉及到半導體和核能等項技術。航天器軌道控制和姿态控制系統不僅采用了很多特有的敏感器、推力器和控制執行機構以及數字計算裝置等，而且應用了現代控制論的新方法，形成為多變量的反饋控制系統。航天器結構、熱控制、無線電測控、返回着陸、生命保障等系統以及多種專用系統都采用了許多特殊材料、器件和設備，涉及到衆多的科學技術領域。航天器的正常工作不僅決定于航天器上各系統的協調配合，而且還與整個航天系統各部分的協調配合有密切關系。航天器以及更複雜的航天系統的研制和管理，都須依靠系統工程的理論和方法。
分類
航天器分為無人航天器和載人航天器。無人航天器按是否環繞地球運行分為人造地球衛星和空間探測器。通常,航天器分為人造地球衛星、空間探測器和載人航天器，它們按用途和飛行方式還可進一步分類。
人造地球衛星
簡稱人造衛星，是數量最多的航天器,約占航天器總數的90％以上。它按用途分為科學衛星、應用衛星和技術試驗衛星。科學衛星用于科學探測和研究，主要包括空間物理探測衛星和天文衛星等。應用衛星是直接為國民經濟和軍事服務的人造衛星。應用衛星按用途分為通信衛星、氣象衛星、偵察衛星、導航衛星、測地衛星、地球資源衛星、截擊衛星和多用途衛星等。應用衛星按是否專門用于軍事又可分為軍用衛星和民用衛星，有許多應用衛星是軍民兼用的。
空間探測器
又稱深空探測器，按探測目标分為月球探測器、行星和行星際探測器。各種行星和行星際探測器分别用于探測金星、火星、水星、木星、土星和行星際空間。美國1972年3月發射的“先驅者”10号探測器，預計在1986年10月越過冥王星的平均軌道，将成為第一個飛出太陽系的航天器。
載人航天器
按飛行和工作方式分為載人飛船、航天站和航天飛機。載人飛船包括衛星式載人飛船和登月載人飛船。航天飛機既是航天器又是可重複使用的航天運載器。
發展曆史
1958年6月5日，蘇聯科學院院士、火箭飛船總設計師科羅廖夫在為政府起草的《開發宇宙空間的遠景工作》中提出1961～1965年完成研制能乘2～3人的載人飛船，1962年開始建造空間站。
1958年10月7日，美國航宇局(NASA)正式批準“水星”号載人飛船工程。這是航宇局1958年10月1日成立後作出的第一個重大決策。
1959年9月9日，美國用“宇宙神”D運載火箭首次成功地發射了“水星”飛船模型，進行亞軌道飛行。此後一直到1961年4月25日，美國共進行了7次無人飛船試驗，其中失敗3次，成功4次，為美國成功實施載人航天飛行奠定了堅實基礎。
1960年1月，蘇聯成功發射了兩艘無人的衛星式飛船，進行亞軌道飛行。此後一直到1961年3月25日，蘇聯共進行了7次無人飛船試驗，其中失敗4次，成功3次，最後兩次連續成功。蘇聯決策機關認為已完全具備了載人飛船的發射能力。
1961年3月23日，蘇聯準備上天的航天員邦達連科在為期10天的地面訓練的最後一天，在一個高濃度氧氣艙裡，用酒精棉球擦完身上固定過傳感器的部位後，随手将它仍在電熱器上，立即引起大火，他被嚴重燒傷，10小時後，搶救無效死亡。
1961年4月12日，蘇聯發射世界第一艘載人飛船“東方”1号。尤裡·加加林少校乘“東方”1号飛船用了108分鐘繞地球運行一圈後，在薩拉托夫附近安全返回。加加林成為世界上第一位遨遊太空的航天員，使蘇聯在與美國開展的載人航天競賽中赢得了世界第一。1968年3月27日，加加林駕駛米格15殲擊機訓練時，因飛機事故遇難身亡。
1961年5月5日，美國第一位進行亞軌道飛行的航天員艾倫·B·謝潑德駕駛美國“水星”MR3飛船進行首次載人亞軌道飛行，美國因此成為繼蘇聯之後世界上第二個具有載人航天能力的國家。
1961年5月25日，美國總統肯尼迪在國會宣布：在60年代結束之前，美國要把人送上月球，并安全返回地面。從此，美國正式開始實施舉世聞名的“阿波羅”載人登月工程計劃。這是在與蘇聯之間展開的誰第一個把人送上天的競賽中失利後，美國發起的又一個競賽項目。
1962年2月20日，美國發射載人飛船“水星”6号，航天員歐約翰·H·格倫中校駕駛“水星”6号飛船繞地球飛行3圈，曆時4小時55分23秒，在大西洋海面安全返回。格倫因此成為美國第一個進入地球軌道的人。
1962年8月11日，蘇聯發射載有尼古拉耶夫少校的“東方”3号飛船上天。8月12日，蘇聯發射載有波波維奇中校的“東方”4号飛船上天。“東方”4号與“東方”3号首次在太空實現載人飛船的交會飛行，最近相距5公裡，第一次從太空傳回電視。
1963年6月16日，世界上第一位進入太空的女航天員捷列什科娃中尉駕駛蘇聯“東方”6号飛船進入太空，飛船繞地球飛行48圈，曆時70小時50分，19日返回。
1964年10月12日，蘇聯成功發射載3人的第二代載人飛船“上升”1号。航天員科馬羅夫、耶戈洛夫和費捷斯托夫駕駛飛船繞地球飛行16圈，曆時24小時17分，返回于庫斯塔奈地區。這是蘇聯、也是世界航天史上第一次載3人飛行。
1965年3月18日，蘇聯發射載有别列亞耶夫、列昂諾夫的“上升”2号飛船。飛行中，列昂諾夫進行了世界航天史上第一次太空行走，他在離飛船5米處活動了12分鐘，完成了目視觀測、拆卸工作及其他實驗。
1965年3月23日，美國成功發射第二代載人飛船“雙子星座”3号。飛船乘載着美國航天員格裡索姆中校和約翰·楊少校，繞地球飛行5圈，曆時4小時53分鐘。這是美國首次載2人飛行。
1965年6月3日，美國發射載有航天員麥克迪維特上尉和懷特上尉的“雙子星座”4号飛船，繞地球飛行62圈。懷特到艙外行走21分鐘，用噴氣裝置使自己在太空中機動飛行。這是美國第一次太空行走。
1965年12月15日，美國發射“雙子星座”6号飛船，飛船載有希拉中校和斯坦福爾德上尉。飛船繞地球飛行16圈，曆時25小時51分鐘。此次飛行是與12月4日發射的“雙子星座”7号交會，并保持近距離編隊飛行，最近時約0.3米。這是美國載人飛船第一次空間交會飛行。
1966年3月16日，美國發射載有航天員阿姆斯特朗和斯科特的“雙子星座”8号，繞地球飛行6.5圈，曆時10小時41分。飛行中首次實現載人飛船與一個名叫“阿金納”的對接艙體對接。這是世界航天史上第一次空間對接。
1967年1月27日，美國“阿波羅”4A飛船在發射台上進行登月飛船的地面試驗。飛船内坐着曾參加過“水星”号、“雙子星座”飛船飛行的格裡索姆上校、美國第一個完成艙外活動的懷特中校和第一次準備參加太空飛行的查菲少校。突然，充滿純氧的座艙起火爆炸，3名航天員當即燒死。
1967年4月23日，蘇聯用“聯盟”号運載火箭發射第三代飛船“聯盟”1号。4月24日飛船返回時，因降落傘故障，飛船墜毀于烏拉爾奧倫波克附近，航天員科馬羅夫不幸遇難。
1968年4月14日，蘇聯發射宇宙212号無人飛船。飛船在軌運行中與後來發射的宇宙213号無人飛船自動對接。這是蘇聯完成的第一次空間對接。
1968年10月11日，美國發射“阿波羅”7号飛船。航天員希拉、艾西爾和坎甯哈姆繞地球飛行163圈，曆時260小時9分鐘，22日返回。這是“阿波羅”飛船的第一次載人地球軌道飛行。
1968年12月21日，美國發射載有波爾曼、洛弗爾和安德斯的“阿波羅”8号飛船。飛船進入距月面112公裡的月球軌道上飛行了10圈，時間20小時6分鐘，并向地球發回電視。27日返回。這是世界上第一艘繞月飛行的載人飛船。
1969年7月16日，美國發射“阿波羅”11号載人飛船，第一次把人送上月球。
1970年4月11日，美國發射載有航天員洛弗爾、海斯和斯威加特的“阿波羅”13号飛船進行第3次登月飛行。
1970年6月1日，蘇聯發射載有航天員尼古拉耶夫和謝瓦斯基揚諾夫的“聯盟”9号飛船。飛船繞地球飛行268圈，曆時424小時59分，創造了載人飛行史上的新記錄。
1971年4月19日，蘇聯用“質子”号火箭發射世界上第一個載人空間站“禮炮”1号。
1971年6月6日，蘇聯發射載有航天員多勃羅沃爾斯基、帕查耶夫和沃爾科夫和“聯盟”11号飛船。飛船成功地實現了和“禮炮”1号空間站的對接、在軌運行24天後，在返回途中，返回艙空氣洩露，返回地面時，人們發現未穿航天服的3名航天員全部遇難。
1971年12月7日，美國發射載有塞爾南、埃文斯和施密特的“阿波羅”17号飛船。11日到達月球，兩名航天員在月面逗留75小時，在月球軌道上釋放了一顆衛星。飛船19日返回。這是人類迄今最後一次載人登月飛行，也是“阿波羅”飛船第7次登月飛行。
1973年5月14日，美國用“土星”V火箭發射名為“天空實驗室”的空間站。後與多艘“阿波羅”飛船對接,先後有3批9名航天員到其上工作。原預計“天空實驗室”能運行到1982年，但終因空間站故障嚴重，無法正常使用，其運行軌道急劇下降，于1979年7月12日墜落于南印度洋澳大利亞西南水域。這是美國發射的第一個載人空間站。
1975年4月5日，蘇聯發射載有拉紮列夫和馬卡羅夫的聯盟18A飛船，準備與禮炮4号對接。火箭第3級點火不久，正值火箭上升到144公裡的高空時，因制導系統發生故障，飛船在空中翻滾，并偏離預定軌道。地面控制中心不得不發出應急救生指令，使火箭緊急關機，返回艙與飛船分離，航天員按應急方案返回，在西伯利亞西部山區安全着陸。飛行隻進行了22分鐘。這是載人航天以來，第一次因火箭飛行不正常而成功地采取的應急救生措施。
1975年7月15日，蘇、美發射飛船進行聯合對接飛行。首先發射的是載有蘇聯航天員列昂諾夫和庫巴索夫的“聯盟”19号飛船。發射後7.5小時，美國“阿波羅”18号飛船載着美國航天員斯坦福爾德、斯萊頓和布蘭德從肯尼迪航天中心發射成功。7月17日，“阿波羅”18号飛船和“聯盟”19号飛船成功地對接。飛船對接狀态保持了兩天，美蘇航天員實現了飛船間的互訪。這是冷戰期間美蘇兩個競争對手難得的“太空握手”。
1981年4月12日，美國發射了世界上第一架航天飛機“哥倫比亞”号。此後又陸續建造了“挑戰者”号、“亞特蘭蒂斯”号、“發現”号和“奮進”号航天飛機。1986年1月28日，“挑戰者”号航天飛機在發射升空僅73秒後即爆炸，機上7名航天員全部遇難；2003年2月1日，“哥倫比亞”号航天飛機在返航途中解體，機上7名航天員再次遇難。盡管如此，美國航天飛機投入運營22年來，已成功飛行111次，在太空部署過衛星、維修過“哈勃”、完成了無數科學試驗，是目前正在建造中的國際空間站的主要運送工具。
1984年7月17日，蘇聯發射“聯盟”T12号飛船升空。船上載有紮尼拜科夫、沃爾克和女航天員薩維卡娅，與“禮炮”7号空間站-“聯盟”T10号飛船聯合體對接。25日，薩維茨卡娅和紮尼拜科夫一起進行了3小時35分鐘的艙外活動。薩維茨卡娅成為世界上第一位在太空行走的女性。
1986年2月20日，蘇聯發射了第三代長期載人空間站——“和平”号空間站的核心艙。此後曆時10年，直到1996年4月26日，蘇聯(俄羅斯)才建成由核心艙、“量子”1号艙、“量子”2号艙、“晶體”艙、“光譜”艙和“自然”艙組成的完整的“和平”号空間站。
1995年6月27日，美國“亞特蘭蒂斯”号航天飛機載着5名美國航天員和2名俄羅斯航天員升空，首次實現與俄羅斯“和平”号空間站對接飛行。此後一直到1998年，美國航天飛機與俄羅斯“和平”号空間站進行了8次對接飛行，所取得的成功經驗降低了目前正在組裝的國際空間站裝配和運行中的技術風險。
1996年9月26日，在俄羅斯“和平”号空間站上工作的美國女航天員露西德乘“亞特蘭蒂斯”号航天飛機返回地面。露西德在太空生活了188天，打破了俄羅斯航天員康達科娃創造的女性在太空飛行的最高紀錄。
1998年11月20日，俄羅斯用“質子”K火箭将國際空間站的第一個部件——“曙光”号多功能艙送入太空，建造國際空間站的宏偉而艱巨的任務從此拉開了帷幕。
2001年4月28日，世界上首位太空遊客、美國富翁蒂托搭乘“聯盟”TM32号飛船從哈薩克斯坦拜科努爾航天發射場出發，到國際空間站上旅遊觀光8天，5月6日返回地面。
2002年4月25日～5月5日，世界上第二位太空遊客、南非億萬富翁馬克·沙特沃斯也在太空度過了10天的時光，其中8天生活和工作在國際空間站上。
作用意義
航天器的出現使人類的活動範圍從地球大氣層擴大到廣闊無垠的宇宙空間，引起了人類認識自然和改造自然能力的飛躍，對社會經濟和社會生活産生了重大影響。
航天器在地球大氣層以外運行，擺脫了大氣層阻礙，可以接收到來自宇宙天體的全部電磁輻射信息，開辟了全波段天文觀測；航天器從近地空間飛行到行星際空間飛行，實現了對空間環境的直接探測以及對月球和太陽系大行星的逼近觀測和直接取樣觀測；環繞地球運行的航天器從幾百公裡到數萬公裡的距離觀測地球，迅速而大量地收集有關地球大氣、海洋和陸地的各種各樣的電磁輻射信息，直接服務于氣象觀測、軍事偵察和資源考察等方面；人造地球衛星作為空間無線電中繼站，實現了全球衛星通信和廣播，而作為空間基準點，可以進行全球衛星導航和大地測量；利用空間高真空、強輻射和失重等特殊環境，可以在航天器上進行各種重要的科學實驗研究。
随着航天飛機和其他新型空間運輸系統的使用，空間組裝和檢修技術的成熟，人類将在空間建造各種大型的空間系統，例如，直徑上千米的大型光學系統、長達幾公裡的巨型天線陣和永久性航天站等。未來航天器的發展和應用主要集中在三個方面：進一步提高從空間獲取信息和傳輸信息的能力，擴大應用範圍；加速試驗在空間環境條件下生産新材料和新産品；探索在空間利用太陽輻射能，提供新能源。從空間獲取信息、材料和能源是航天器發展的長遠目标。
