航空航天论文

航空航天与现代计算机网络技术

[1**********]08 计算机信安专业 温丽红

从1903年莱特兄弟制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机“飞行者”1号，并且获得试飞成功开始，飞机这种交通工具就一直未从人们的视线中消失，航空航天作为一门重要的技术也一直蓬勃发展着。而众所周知，计算机的发明和现代计算机网络技术的发展给人类生活带来了翻天覆地的变化。那么让这两种技术相互结合渗透是否又将会带来人类技术史上的一次重要变革呢？接下来我将讲述航空航天技术的简介、发展、现状及瓶颈问题，重点阐述现代计算机网络核心技术及部分技术在航空航天领域的应用。 一． 关于航空航天技术

1.航空航天技术的简介: 该技术是为航空航天活动的顺利进行而创立的一系列高级复杂的施工作业程序。它涉及人力资源配置设备仪器搭配与安装使用等艰深的学术作业。是国家，民族，乃至整个人类发展的高度追求。航空航天技术使人类文明进入三维时代。航空是大气层内的飞行活动，航天是穿越大气层的飞行活动。其中，航空技术的基础理论是空气动力学。该技术是综合高技术，在理论和设计的基础上，材料技术是关键，电子技术是灵魂。航空指飞行器在地球大气层内的航行活动。飞艇是利用空气的浮力在大气层内飞行，飞机则是利用与空气相互作用产生的空气动力在大气层内飞行。飞机上的发动机依靠飞机携带的燃料（汽油）和大气中的氧气工作。航天技术则是探索、开发和利用宇宙空间的技术。它是一门高度综合性的科学技术，涉及各类航天飞行器的设计、制造、发射和应用。载人航天是航天技术的最前沿。。航天活动的目的是探索、开发和利用太空与天体，为人类服务。航天的基本条件是航天器必须达到足够的速度，摆脱地球或太阳的引力。第一、第二、第三宇宙速度是航天所需的特征速度。按航天器探索、开发和利用的对象划分，航天包括环绕地球的运行、飞往月球的航行、飞往行星及其卫星的航行、星际航行（行星际航行、恒星际航行）。按航天器与探索、开发和利用对象的关系或位置划分，航天飞行方式包括飞越（从天体近旁飞过）、绕飞（环绕天体飞行）、着陆（降落在天体上面）、返回（脱离天体、重返地球）。

2.航空航天技术的发展：该技术的发展大体可分为以下四个阶段。

㈠火箭技术：近代火箭的出现是在第二次世界大战时的法西斯德国。早在1932年德国就发射A2火箭，飞行高度达3公里。1942年10月发射成功V-2火箭（A4型），飞行高度85公里，飞行距离190公里。V-2火箭的发射成功，把航天先驱者的理论变成现实，是现代火箭技术发展史的重要一页。接着美国为发射多种航天器的需要，先后研制成功"先锋"号、"丘诺"号、"侦察兵"号、"大力神"号和"土星"号等运载火箭。1990年4月7日，中国CZ-3 运载火箭发射成功美国制造的"亚洲一号"卫星。长征火箭成功地进入了国际商业发射卫星的行列，至今已将27颗外国卫星发射上天。 不得不

说火箭技术推动了人类航天发展的历史。

㈡卫星时代： 1957年10月4日，前苏联用"卫星"号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空 。人造地球卫星出现之后，60年代前苏联和美国发射了大量的科学实验卫星、技术实验卫星和各类应用卫星。70年代军、民用卫星全面进入应用阶段，并向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋和地球资源等专门化方向发展。卫星时代的到来是航空航天技术发展的又一重要见证。

㈢空间探测：空间探测的主要目的是了解太阳系的起源、演变和现状，通过对太阳系内的各主要行星及其卫星的比较研究进一步认识地球环境的形成和演变。了解太阳系的变化历史，探索生命的起源和演变。空间探测器实现了对月球和行星的逼近观测和直接取样探测，开创了人类探索太阳系内天体的新阶段。月球是人类第一个探索的目标，接着是行星和行星际探测，人类在探索过程中获得了大量太空星球的信息资料，进一步了解了宇宙，航空航天方便不停的在超越。

㈣载人航天：载人航天在航天活动中占有重要位置。尽管航天器携带装置精确、灵敏度高、能自动观察、操作、储存、处理数据，但它们不能代替人的思维。初期载人航天器一方面研究航天技术，另一方面进行生物学和医学试验，研究航天员在长期失重条件下的反应，航天员在密闭舱中的工作能力，航天器对接时和走出航天器时的人的生理反应。

3、世界航空航天技术的发展现状及中国技术发展的瓶颈问题：

㈠世界航空航天技术的发展现状：21世纪以来， 航天科技工业发展进入新的阶段。运载器及其技术继续向满足大吨位、高可靠性、高环保性及强适应性的方向发展， 同时向低成本、快速响应方向发展； 卫星向高可靠、长寿命、高空间与时间分辨率、大容量、高速率方向发展； 人类逐步突破地球轨道载人航天技术， 正在向载人深空探测发展。新型技术主要是以下三种：

1. 运载器及技术：新一代大中型一次性使用运载火箭技术已基本成熟， 其设计思想遵循通用化、系列化、模块化，并采用大直径、少级数结构和推力液体火箭发动机。美国与俄罗斯的现役小型运载火箭如飞马座、金牛座、起跑号、第聂伯等大多从战略导弹衍生而来， 可进行一定的机动发射， 但快速响应能力不足。完全重复使用运载器技术尚未实现突破， 只有美国在 役的航天飞机是目前世界上唯一能部分重复使用的运载器。现役主流运载火箭近地轨道运载能力已超过20吨， 地球同步转移轨道（GTO） 运载能力达到10吨， 可实现一箭双星、一箭多星等多种发射。小型火箭近地轨 道运载能力为500千克。航天飞机可运送30吨货物到近地轨道， 可发射卫星或向国际空间站运送人或物。现役火箭的发射成功率较高， 宇宙神5、阿里安5和H-2A等的发射成功率达到了92%左右。

2. 卫星系统及技术：近几年来， 美国、俄罗斯以及欧洲国家等世界主要

航天国家均在积极开展应用卫星的更新换代。其中雷达与光学高性能卫星 遥感技术扩散迅速， 尤以欧洲、以色列发展迅速； 欧洲与美国陆续将一代军用通信卫星投入现役； 美、俄的导航卫星正在升级改进， 欧洲的伽利略系统成功进行在轨验证。

3. 空间对抗系统及技术：目前， 只有美国与俄罗斯形成了以地基为主、天基为辅的空间态势感知系统， 当前天基系统还主要依赖在轨的导弹预警卫星。空间防护技术则停留在对高空核爆、射频、激光和动能武器的攻击探测和抗核加固等一些有限的本体防护装置上。反卫星武器技术美国发展得最多、最全面， 但当前进入实战部署的一般为软杀伤装备。美国相关设备低轨探测精度可达10厘米， 定位精度可达1千米； 初步形成了有限的攻击告警能力并应用了多种有针对性的防护措施；反卫星装备具备实战能力的较少， 大多处于技术储备阶段。总体来讲， 包括美俄在内的国家空 间对抗能力都十分有限。

4. 深空探测系统及技术：当前深空探测开展最多的是月球探测， 美国、俄罗斯、欧洲、日本、中国、印度均成功发射过月球探测器， 只有美国与欧 洲成功进行了火星探测， 其中美国已经成功在火星表面着陆， 尚未全面实现对水星、木星、土星和冥王星等行星以及小天体的探测。各国根据各自不同的技术能力水平， 在探测方式的选择上呈现多样性。

㈡中国技术发展的瓶颈问题：近年来我国的“高新工程”取得了不小的成绩，但在先进作战飞机、航空发动机和大型飞机研制及其基础科学研究等方面，与世界先进水平相比还存在很大差距，急需国家加大投入，解决基础研究、产品研发和生产能力不足的问题，以应对国际局势变化和国际新军事变革。。发动机是飞机的“心脏”，国外一直对我严格封锁高性能发动机的核心技术。我国航空发动机落后已成为严重制约我国航天事业发展的瓶颈。中国民用装配的飞机几乎都是进口，主要由空客和波音垄断了干线客货运市场，支线航空主要是加拿大航空和巴西航空的客机所覆盖。还有就是航空航天技术发展所需要的大量资金任然是我们面临的一个严峻的问题。

二.现代计算机网络核心技术：21世纪已进入计算机网络时代。计算机网络的极大普及，使它成为了计算机行业不可分割的一部分。计算机网络技术是当前发展速度最快、生命力最强、对人类社会影响最大、新技术新工艺涌现最多和最猛烈的前沿技术。计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计 算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通 信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。而 计 算 机 网 络 技 术 则 是通 信 技 术 与计 算 机 技术 相 结 合 的产 物 ，它 在迅 速 地 发 展着 ，对世界、社会和人 类都产生了巨大的影响。 目前，计算机网络学术界和技术界对许多计算机网络的前沿技术进行着认真刻苦的 研究工作。其中比较热门的

研究技术涵盖了云计算、 软交换以及 IMS 等。

 云计算：云计算(Cloud Computing)是分布式处理(Distributed

Computing)、并行处理 (Parallel Computing)和网格计算(Grid Computing)的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现 ；云计算也是虚拟化(Virtualization)、效用计算(Utility Computing)、IaaS(基 础设 施 即 服 务)、PaaS(平台即服务)、SaaS(软件 即 服 务)等概念混合演进并跃升的结果 。其最基本的概念，是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序， 再交由多部服务器 所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过 这项技术 ，网络服务提供者可以在数秒之内 ，达成处理数以千万计甚 至亿的信息，达到和“超级计算机 同样强大效能的网络服务。 所以从最根本的意义来说，云计算就是利用互联网上的软件和数据的能力。 最 简单的云计算在网络服务中已经随处可见，如搜索引擎、洛信箱等。未来如手机、gps等行动设置都可以透过云计算技术发展出更多的应用服务。进一步的云计算不仅只有资料搜寻、分析的功能，未来如分析DNA的结构、基因图谱定序、解析癌细胞等都可透过这项技术轻易达成。云计算具备以下四个显著特征：1. 云计算提供了最可靠、最安全的数据存储中心，用户不用担心存储丢失、病毒入侵等麻烦。2. 云计算对用户端的设备要求最低，使用起来最方便。3.云计算可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享。 4.云计算为我们使用网络提供了近乎无限多的可能。

 软交换：这一术语是从英文单词 Softswitch 翻译过来的。软交换是一

种正在发展的概念和技术，核心是一个标准化协议和应用编程接口的开发体系结构，以便提供更广泛的应用和业务平台。软交换的核心思想是通过硬件软件化的思想来实现原来交换业务的 控制连接和处理，可以同时在同一个网络上同时提供语音、数据以及多媒体业务。 软交换的体系结构分为业务/应用层、网络控制层、核心交换层和边缘接入层。边 缘接入层，负责将各种网络和终端设备介入软交换体系机构；核心交换层，对各种不同 的业务和媒体流提供公共的传送平台，多采用基于分组的传送方式，目前比较公认的核心传送网IP网或ATM骨干网；其主要实体为软交换设备，实现网路控制层，完成呼叫控制、路由、认证、资源管理等功能；业务应用层，在呼叫控制的基础上向最终用户提供各种增值业务。 在软交换系统中，IP 承载使网络调整更为灵活，同时也使媒体能力增强，进而带来一些新的业务，增强运营商网络的网络价值。另一方面，软交换分离的架构使得网络部署更灵活，可以有效降低运营商网络的建网成本和运营维护成本。由此可见，IP承载的变化是对传统网络的一个革命性的改变。软交换是网络发展的一个重要技术未来。

 IMS(IP Multimedia Subsystem)IP多媒体系统 ，是一种全新的多媒体

业务形式，它能够满足现在的终端客户更新颖、更多样化的多媒体业务需求。IMS是对IP多媒体业务进行控制的多媒体网络核心层逻辑功能实体的总称。。3GPPR5主要定义IMS的核心结构，网元功能、 接口和流程等内容；IMS 体系结构从上向下分为四层：应用层、控制层、承载层和接入层。应用层主要 实现传统的电话业务、智能网的接入以及提供基于SIP的非传统电信业务等；控制层主 要完成基本会话的控制、 SIP 会话路由控制等功能； 承载层采用具有 QoS 保证的 IP 网进 行承载；接入层主要完成各类 SIP 会话的发起、终结，完成与传统 PSTN/PLMN 间的互联 互通。 目 前，IM S被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、 数据 、视频 三重融合等差异化业务的重要方式。

三.计算机网络技术在航空航天技术领域的应用：

1.计算机网络高技术在国外导弹、火箭测控领域的应用：航天测试工程是集研究、开发、设计、测试为一体的工程技术，工程的难度在于要处理复杂的数据和信息以及通讯扩展行为，而当今测试工程师已经开始有意识地引入网络来支持工程管理软件控制测试设备、收集远程设备采集的数据。美国联邦政府和航天工程组织正努力应用计算机网络来达到提高效益和竞争力的目的。约翰逊航天中心配有一个新型的任务控制中 fl,(MCC)，该中心负责飞行测试计算任务的主控计算机把遥测数据和计算结果传给宇航员，它的执行过程尤如把相关数据从主机压到适当的飞行控制终端一样。在分布式MCC设计方案中，遥测和计算中心的概念已经消失，飞行控制台包含了UNIX工作站，它能够访同网络上的遥测数据流，而共享数据方式替代主机依赖方式，MCC工作站上运行的软件将从信息共享协议上占有遥测数据，(信息共享协议)ISP采用客户／服务方式，分布式客户可 从对等式ISP服务器集上得到ISP的支持，服务器对网上的数据有效性负责。客户的应用过程通过ISP客户应用程序接12(API)启动同服务器的对话(可能来自不同机器)获取数据，这些客户机认可来自ISP服务器的数据，这些数据 异步方式经过转换后传给客户机，ISP API提供独立的数据源因而ISP客户应用程序可 被测试数据驱动，并可以重现数据来对飞行训练和遥测提供服务。美国政府目前正加紧实施的“联邦高性能计算和通讯项目(HPfiCP)”，其主要功能之一就是建立遍布全美国的通讯网络， 目的是给科研提供通讯基础，大量航天工程所需的测试仿真和计算数据可以通过此网络传输给分析程序进行分析。HPCfiP实施的重点是最大限度地利用现有高性能远程网络的优势来为广域网远程用户提供服务。例如：某一航天型号前方测试站需要将型号仿真和测试数据文件向远距数千公里之外的计算中心进行传输和保存，并要求将这些要传送的典型数据作分析比较。这些工作用HPCCP来实现实际上是通过前后台操作来完成的。传送和分析、比较工作通过后台完成，前端的用户不必等待漫长的分析过程，而只需时常回来检测一下结果送到没有就行了。此外，HPCCP

提供的通讯网络充分吸收了计算机和高度发展的可视化技术，因此，可以预言它的发展将对未来的空间科学产生深远的影响。由于网络技术在发达国家的应用比较早，特别是国外航天领域作为高新技术应用发展的前沿领域，在网络上已投入了巨大的人力和物力，效果明显。随着我国航天测控技术的不断提高，应用网络技术解决数据和信息通讯以及资源共享等已迫在眉睫。

2. 网络及其通讯技术在火箭测控领域的应用：火箭大都是由相互独立而又有联系的若干分系统构成，如控制系统、遥测系统、外测系统、外安和动力系统、推进剂利用系统、故障检测系统等。每一个分系统又由若干个子系统构成，如控制系统由箭上综合测试系统、地面测试发控系统组成。为了将这些相对独立而自动化很高的分系统和子系统构成一个有机的整体，完成在测试发射过程中的信息存储、采集、处理、显示、传输，供测试发射现场指挥使用及事后分析提供原始数据，实现运载火箭测试发射自动化，提高测试发射质量和可靠性。将各分系统测试计算机联网不失为一个很好的方法。这也是火箭测试发控技术发展的必然趋势。

3. 计算机网络技术在航天测控领域的应用建议：我国航天领域的测试技术走过了十年的历程，成熟的GP—IB、CAMAC总线曾一度成为航天测控领域的主体。随着计算机技术、网络技术和多媒体的技术迅速发展， 使测试工作者对拥有高

速度、高可靠性、高自动化的测试系统的设想已成为现实。事实上建立测控网络的最根本的初衷是快速获取数据、传输数据，然而由于测试系统的软硬件逐渐趋于复杂，整个系统的可操作性已成为测试人员和指挥人员关心的焦点问题之一。就目前测试系统性能和智能化发展水平来看，建立大型的分布式测试系统已经成为可能。具体来说，由于测试点分布区域的广泛性，面向测试建立的多CPU的工作环境无疑使测试过程在速度方面有了质的提高，而在网络平台上构造故障诊断专家系统和多媒体系统可以满足测试人员对复杂系统可操作的要求。火箭地面测控网已经开始实施，从发展的跟光看，还需要很多的时间去完善和健全。下面就该技术的应用和拓展谈几点建议：a．根据火箭测控任务的特点，特别是与航天领域测试特殊性保持相对独立的网络服务系统(网络通讯、多媒体系统)可以实行三化(通用化、系列化、组合化)，标准化的网络服务系统提供所有的硬件和软件支持。b．航天测试的通讯系统、计算机网络系统应作为整个航天信息管理系统的一个子系统，即便在航天应用网络不健全的今天，建立广域网接口方案来缩短研究所和发射场的距离也是很有意义的。这样做可以使研究所在较短的时间内获得发射场的测试状况和测试数据，一旦发射现场测试过程中出现疑难问题，可以及时组织研究所和发射场相关人员同时进行分析，客观上增加了参试人数，而叉能减少发射现场参试人数，降低经费开支。从航天技术安全性角度考虑，可以在研究所和反射场之间设置专线，为节省经费．可以租用电话线路，无论在何种情形下，所有的数据和信息都必须经过严格的加密处理。

本文就从以上几个方面对航空航天技术、计算机网络技术、及其二者的互相渗透应用做简单介绍。相信在未来，计算机技术的高速发展必将推进航空航天事业的再一次飞跃。