飞船手动控制

在载人航天中，飞船手动控制是一种基本而必须的控制系统。由于航天员能进行这种控制，不仅大大提高载人航天的可靠性，而且在某些场合还能使控制系统简化。
通常，航天员的手动控制除对接和机动飞行外，基本上都是用来控制飞船姿态，有代表性的手动姿态控制为：
❶在再入大气层时，保持飞船姿态的适当定向。
❷在飞船转弯时，进行特殊的定向和稳定。
❸在星际飞行时，要把飞船轴瞄准在某个特定参照物（如某颗星）上。
❹在飞船对接时，首先要把飞船定向于靶飞船，然后再对靶飞船进行跟踪。
❺在机动飞行和速度修正时，先将飞船定向，然后再使发动机点火。飞船手动控制有三种基本形式：
(1) 比例控制：它是利用一个三轴手控杆，通过机械连接方法固连在节流阀上，该阀所控制的燃料流量是使发动机的输出推力和飞船的角加速度与杆的位移成正比。能用在轨道任务的所有阶段。而且，利用舷窗观察（没有姿态和速率的仪表显示信息）也能成功地进行再入控制。比例控制的这种优点完全取决于航天员按比例控制力矩来抵消干扰力矩的能力。该系统也有许多不足之处： 复杂的机械连锁是大问题；其次要提供一个适当的“人工感觉”也较困难；节流阀也有严重缺点，因为滑动阀引入的微小间隙会使外界物质的进入对燃料供给通道造成中断或阻塞。人们目前倾向于把它做成开、关式，以弥补这些缺点。
(2) 电传控制： 它是通过电的方法对反作用发动机进行直接控制。当自动控制失灵时，这是一种灵活操纵飞船的应急控制。通常用三轴手控杆的某种位移来操作微动开关，从而把飞船的电源直接引入反作用发动机的电磁阀。当只有两种推力水平时，用三分之一的杆位移就能操作低推力，用四分之三的杆位移可以操作高推力。通常，航天员利用手控杆产生位移的时间约100ms。当飞船具有大的惯量，而且只有一个推力水平可供使用时，对某些特殊（如对接或飞行观察）任务来说，用这种方法产生推力，所造成的角速率仍显得太高。这时，可将一个脉冲发生器插入手控杆和电磁阀之间，手控杆的位移立即就能引入一定电压以产生一个窄的脉冲，该脉冲的持续时间常与推力器的最小冲力时间一致。这样就能提供优良控制，而不降低可靠性。当应急控制时，航天员能对推力器进行直接控制，当进行飞行观察或对接时，就能采用最小冲力控制。
(3) 速率控制：其原理是，把一个角速率传感器安装在飞船本体上，传感器的输入与手控杆的比例输出相加，然后再控制阀门的开启。用这种方法可使飞船角速率与控制杆的位移成正比，有限制飞船速率的能力。由于燃料消耗一般都与角速率成正比，对于惯量大的飞船来说，把角速率限制在1°/s之内是非常重要的。如果是利用完全手动系统，航天员就必须连续操纵，以避免过大速率引起的大量燃料消耗，有时这种燃料消耗会危及飞行任务的成功。速率控制却为飞船速率提供自动阻尼能力，故这种系统也可称为“半自动控制系统”。
将三种手动控制系统与自动控制系统归并在一起，就构成了整个飞船的姿态控制系统，其情况如图所示。图中的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别表示比例、电传和速率等三种手动控制方式。由图可知，飞船上准备了二套完全分开而独立的燃料供给通道。其中之一是供给自动控制系统，另一套是供给手动控制系统，它们可以相互补充。航天员除了利用观察显示器进行操作外，还能利用舷窗进行观察，手控杆也能直接对推力器进行控制，即使传感器和电子部件失灵，也能进行飞船的应急手动控制，这样就大大提高了载人航天的安全性和可靠性。

载人飞船的姿态控制系统(引自Twombly,1962)