哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第1课-绪论
空间飞行器动力学与控制
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Spacecraft Dynamics and Control Teacher：Han-qing ZhangCollege of AstronauticsSpacecraft Dynamics and Control Text book:Spacecraft Dynamics andControl：A PracticalEngineering Approach/s/1o6BF32U(1) Wertz, J. R. Spacecraft Orbit and Attitude Systems, Springer. 2001(2) 刘墩.空间飞行器动力学，哈尔滨工业大学出版社，2003.(3) 章仁为.卫星轨道姿态动力学与控制，北京航空航天大学出版社，2006.(4) 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用，清华大学出版社，2002。
2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control 1. IntroductionSpace technology is relatively young compared to other modern technologies, such as aircrafttechnology.In only forty years this novel domain hasachieved a tremendous level of complexity andsophistication. The reason for this is simplyexplained: most satellites, once in space, must rely heavily on the quality of their onboardinstrumentation and on the design ingenuity of the scientists and engineers.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control The desire of humans to conquer space within the solar system will surely encourage newtechnological achievements that are not yetimagined.The technical fields in which satellites are used are numerous一telecommunications, scientificresearch, meteorology, and others.According to the specific task for which they are designed, satellites may be in orbits as low as200 km or as high as 40,000 km above the earth;other spacecraft leave the earth toward planets in the solar system2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control In October 4, 1957, the former Soviet Union sent the world's first artificial satellite into space.In March 11, 1960, the United States launcheda "pioneer" detector,and it was known as thefirst deep-space probe.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and Control2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 12, 1961,the former SovietUnion successfullylaunched the firstmanned spacecraft. 尤里·加加林Spacecraft Dynamics and ControlIn March 1965, the former Soviet Union realized the first human spacewalk.“上升号”载人飞船2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn January 1966, two spacecrafts completed the rendezvous and docking successfully for the first time in the former Soviet Union .“联盟号”飞船2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn July 1969, the United States landed on the moon for the first time.N．A．阿姆斯特朗E．E．奥尔德林2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 19, 1971, the first space station was built successfully with regard to the former Soviet.“和平号”轨道空间站2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn April 1981, the first space shuttle had the successful test flight.“哥伦比亚号”航天飞机首飞记录片2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlFengYun22014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control北斗导航试验卫星定位原理图2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Satellites may be very heavy: an inhabited space station, for example, could weigh severaltons or more. There also exist very light satellites, weighing 20 kg or less. Small satellites may berelatively cheap.Despite their differences, satellites possess fundamental features that are common to all. The physical laws that govern their motion in spaceand their dynamics are the same for all spacecraft.Hence, the fundamental technologies that evolved from these laws are common to all.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlA satellite's life begins with the specificbooster transferring it to some initial orbit,called a transfer orbit, in which the satellite is already circling the earth.For a satellite that will stay near earth, the next stage will be to "ameliorate" theorbit. This means that the satellite must bemaneuvered to reach the precise orbit forwhich the satellite was designed to fulfill its mission.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Next, the satellite's software must check for the proper functioning of itsinstrumentation and its performance inspace, as well as calibrate some of theinstruments before they can be used tocontrol the satellite.The final stage is the one for which the satellite was designed and manufactured.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Understanding the meaning of each stage will help one to understand the infrastructure of thecontrol system of any satellite.Throughout the text, the terms "satellite" and "spacecraft" (s/c for short) will be usedinterchangeably. The terms "geosynchronous"and "geostationary" will be used interchangeably to describe the orbit of a satellite whose period can be made exactly equal to the time it takes theearth to rotate once about its axis.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlA geosynchronous communications satellitewill be described in its different life stages. Acommon, medium-sized satellite is good example.Satellite of this type consist of the following main structural parts.(1) A central body consisting of a cubelikestructure.(2) Solar arrays extended in the N-S direction.(3) An antenna tower directed toward theearth.(4) Controllers(such as reaction thrusters)and attitude sensors(such as sun sensors).2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAttitude and orbit control systemThe attitude and orbit control system (AOCS) may include:(1) A reaction bipropellant (反应双组元)thrustsystem.(2) Two momentum wheels (one redundant).2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control(3) Two infrared horizon sensors. (one operating andone redundant)(4) Four fine sun sensors. (two redundant)(5)Twelve coarse sun sensors for safety reasons. (sixredundant)(6)Two three-axis coarse rate gyros(陀螺仪).(7)Two three-axis integrating gyros.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and Control Much of the control hardware is redundant in order to guarantee a reliable control systemdespite potential hardware failures.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlMission sequenceSequence for injecting a satellite into the geostationary orbit.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlFirst is the launch into ageosynchronous transfer orbit(GTO).(地球同步转移轨道)withperigee and apogee (low and highaltitude) of 200 km and 35,786km, respectively.This is followed by the transferfrom GTO to geostationary orbit(GEO)(地球同步静止轨道),whereperigee and apogee both are35,786 km and the orbitinclination and eccentricity areclose to null.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlNext is the preparationand calibration of theAOCS.(姿态和轨道控制系统)GEO mission can start,followed by the actualGEO mission stage.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAfter separation from the launcher, the satellite is commanded into a sun acquisition mode with the -X B axis pointing toward the sun. After completion of this stage, the solar panels are partially or fully deployed. If fully deployed, They can be rotated about their axis of rotation toward the sun in order to maximize power absorption.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe satellite stays in this cruise mode until the first apogee boost motor (ABM) orbit is approached. In the first and the subsequent ABM orbits, several hours before the ABM firing at the apogee, the gyros' calibration maneuvers are initiated.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlLess than an hour before any ABM firing, earth acquisition is initiated with the +Z B axis now pointed toward the earth, followed by preparation for the ABM firing stage.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlAfter ABM firings ranging from several to more than 30 minutes, the satellite is commanded to GTO cruise. After the last ABM firing, the satellite life is prepared for GEO operation.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlIn the first GEO, earth acquisition is performed, meaning that the +Z B axis of the satellite is directed toward the earth center of mass, thus allowing the normal GEO cruise.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe momentum wheel is spun to its nominal angular velocity to provide momentum bias attitude control. The orbit is then corrected for any remaining inaccuracies in inclination and eccentricity.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and ControlSpacecraft Dynamics and ControlThe satellite orbit dynamics and controlThe classical equations of motion of ideal Keplerian orbits.The basic orbital control concepts including control and station keeping of satellites.The attitude dynamics and controlThe basic equations of rotational motion about some axis through its center of mass.Single-and Dual-spin stabilization.The attitude stabilization and maneuvering ofspacecraft stabilized in three axes.2014年4月22日星期二Spacecraft Dynamics and Control。
哈工大研究生课程-高等结构动力学-第一章
用偏微分方程得到弦线振动的波动方程，并求出行波解。
四、结构动力学的发展史
◇伯努利（D.Bernoulli)： 用无穷多个模态叠加的方法得到了弦线振动的驻波解，1759 年拉格朗日（grange):从驻波解推得行波解 ◇傅里叶（J.B.Fourier): 1811年提出函数的阶数展开理论，完成了严格的数学证明， 欧拉和伯努利分别与1744和1751年研究了梁的横向振动
EI
W=1
三. 自由度的确定
8) 平面上的一个刚体 y2
11) W=1 12)
y1
W=3
9)弹性地面上的平面刚体 W=3 10)
m
EI
W=13
自由度为1的体系称作单自由度体系； 自由度大于1的体系称作多（有限）自由度体系; 自由度无限多的体系为无限自由度体系。 W=2
§1.3 建立结构运动方程的一般方法
静荷载。静荷只与作用位置有关，而动荷是坐标和时间的函数。
简谐荷载 周期 非简谐荷载 确定 冲击荷载 非周期 阶跃荷载 动荷载 其他确定规律的动荷载 风荷载 地震荷载 不确定 其他无法确定变化规律的荷载
四、结构动力学的发展史
▼公元前6世纪 古希腊毕达哥拉斯（Pythagoras):试验 测得：弦线振动的性质； ▼我国战国时期《庄子》明确记载了共振现象； ▼伽利略（G.Galileo）:对动力学进行了开创性研究， 他发现了单摆的等时性，并利用自由落体公式计算 单摆的周期．
§1.4 建立振动微分方程举例
例-1 图示单自由度振动系统 设静平衡位置为坐标原点,则在静平衡位置弹簧的伸长量为
st
mg k
f e k ( x st )
f d c x ; f I m x
飞行力学与飞行控制讲稿-1
2020/6/19
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三、飞机的主要组成部分及其功能
2020/6/19
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机翼 ：产生升力 ，机翼上一般有用于横向操纵 的副翼和扰流片；机翼前后缘部分还设有各种 形式的襟翼，增加升力 尾翼：水平尾翼和垂直尾翼；V型尾翼；水平尾 翼一般有水平安定面和升降舵组成；垂直尾翼 一般有垂直安定面和方向舵组成；超音速飞行 时通常采用全动水平尾翼（差动）；鸭翼 机身：容纳人员、货物或其他载重和设备；要 求流线；飞翼式飞机取消机身。 起落架：起飞降落（机轮、滑撬、浮桶）
2020/6/19
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半机体坐标系Oxbybzb ：O在质心, Oxb沿飞 行速度矢量V在飞机对称平面投影方向， Oyb在对称平面内，垂直于Oxb向上（因而 与 Oyq 重 合 ） ， Ozb 垂 直 于 飞 机 对 称 平 面 （与轴Ozt重合）。
2020/6/19
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图2-2
2020/6/19
操稳性差）
2020/6/19
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中间层 从平流层顶延伸到大约80km（空气有 相当激烈的垂直运动）
热层 从中间层顶延伸到大约800km（空气非 常稀薄，电离层影响飞行器的无线电通讯）
逃逸层（外大气层） 热层以上（空气极其稀 薄，地球引力很小，航天器脱离此层后便进入 太空飞行）
2020/6/19
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飞行器的分类：航空器、航天器、火箭和导弹
飞机飞行力学与飞行控制
艾剑良教授
2020/6/19
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第一章 绪论
一、飞行器的基本概念
飞行器——在大气层内或大气外层外空间（太 空）飞行的器械
大气飞行环境
对流层（低纬度地区16-18km；中纬度地区1012km；高纬度地区8-9km) (气候现象复杂）
哈工大航天学院课程空间飞行器动力学与控制空间飞行器轨道控制上课件
学生在实验室进行实际操作，完成轨道控制系统 的设计和测试，加深对理论知识的理解和应用。
3
项目实践
学生分组进行项目实践，结合实际需求进行空间 飞行器轨道控制系统的设计和实现，培养实践能 力和创新思维。
02
空间飞行器动力学基础
动力学基本概念
01
02
03
牛顿第三定律
描述了作用力和反作用力 的关系，是动力学的基本 原理。
被动控制方法
利用航天器的特殊构型或附加质量等特性，通过改变航天器的重心 位置或转动惯量等方式，实现轨道控制。
组合控制方法
将主动控制和被动控制相结合，利用各自的优势，实现更高效、精确 的轨道控制。
轨道控制应用实例
卫星轨道转移
将卫星从一个圆轨道转移到一个椭圆轨道，或从一个椭圆轨道转 移到另一个椭圆轨道，实现卫星的变轨任务。
理解空间飞行器轨道 控制的方法和策略。
课程内容
空间飞行器动力学基础
包括轨道力学、姿态动力学等。
空间飞行器控制原理
介绍控制理论在空间飞行器中的应用，如PID控制、最优控制等。
轨道控制系统设计与实践
结合实际案例，讲解轨道控制系统的设计方法、实现过程和测试技 术。
课程安排
1 2
理论授课
结合多媒体课件，系统介绍空间飞行器动力学与 控制、轨道控制的基本概念、原理和方法。
实验结果与分析
学生需要对实验结果进行分析，并得出结论。
参考文献
学生需要注明所引用的参考文献，并按照学校规定的格式进行排版。
THANK YOU
感谢观看
实验内容与要求
实验内容
学生需要掌握卫星轨道测量、控制的 基本原理和方法，通过实际操作，掌 握卫星轨道控制技术。
航空航天工程师的飞行器动力学和控制
航空航天工程师的飞行器动力学和控制航空航天工程师扮演着推动现代航空航天技术发展的重要角色。
他们的工作范围涉及到飞行器动力学和控制领域，旨在研究和设计高效、稳定、安全的航空航天系统。
本文将探讨航空航天工程师在飞行器动力学和控制方面的工作内容和挑战。
一、动力学的研究与应用动力学是研究运动及其变化的学科，对于飞行器来说，动力学研究是基于牛顿力学的力的平衡和运动定律去分析和计算飞行器的运动状态。
航空航天工程师需要获取飞行器的运动数据，并基于这些数据进行分析，以确保飞行器在瞬息万变的环境中能安全、高效地运行。
在动力学的研究中，航空航天工程师需要掌握与飞行器运动相关的知识，如质量、力、加速度、速度和位移等。
他们还需要了解飞行器在不同空气动力环境中的性能表现，以及如何优化飞行器以提高其运动性能。
二、控制系统的设计与优化航空航天工程师还需要进行飞行器控制系统的设计与优化工作。
控制系统是为了使飞行器能够按照特定的轨迹和条件进行稳定、安全地运行。
航空航天工程师在设计控制系统时需要考虑飞行器的属性，如质心位置、惯性矩阵、气动参数等。
为了设计出高效且稳定的控制系统，航空航天工程师需要运用现代控制理论和方法，如PID控制器、状态空间方法等。
他们还需要运用数学建模和仿真软件来评估控制系统的性能，以使飞行器具有良好的稳定性和操纵性。
三、飞行器动力学与控制的挑战航空航天工程师在飞行器动力学和控制领域面临着许多挑战。
首先，不同类型的飞行器，如飞机、直升机、火箭等，其动力学特性和控制要求都有所不同，要求工程师有针对性地进行研究和设计。
其次，飞行器的非线性特性和不确定性因素，如外部气动因素、动力系统失效等，给飞行器的动力学和控制带来了很大的复杂性。
航空航天工程师需要运用先进的控制理论和方法，以应对这些复杂性，并确保飞行器的安全运行。
最后，随着航空航天技术的不断发展，新的飞行器设计和控制技术不断涌现，这也对航空航天工程师的专业知识和技能提出了更高的要求。
飞行器结构动力学_第1章_2014版 [兼容模式]
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– 第四章：连续系统
• 杆的振动 轴的振动 • 梁的振动 薄板振动
– 第五章：结构动力学建模
• 有限元模型建立（第6章） • 结构模态分析（第7章）
第1章 概 论
第1章 概 论
现代有限元分析——结果
第1章 概 论
实验手段
地面静力实验
第1章 概 论
地面振动实验（Ground Vibration Test，GVT）
• 确保边界条件 • 激励方式
第1章 概 论
• 传感器布置 • 信号处理
F-16 GVT悬吊
第1章 概 论
风洞实验——颤振
第1章 概 论
NASA兰利
第1章 概 论
结构动力学建模（2）
• 原则 – 保持原有系统的动力学特性（或近似） – 必须和观察到的实际模型尽可能相似
• 初步设计阶段可采用一定简化，详细设计阶段 尽可能细化
• 方法 – 1.集中参数描述的离散系统 – 2.分布参数描述 – 3.两种方法的混合
• 例子： – 导弹在空中飞行；飞机在空中飞行
• 量子场理论（quantum field theory，QFT）：具有很多自由度的量子一级
的问题 第1章 概 论
背景知识（续）
牛顿
• 牛顿三定律
– 奠定了经典力学基础 • 《自然哲学的数学原理》
– 对第2、3定律给出了合理的科学和数学描述 – 阐述了动量守恒和角动量守恒原理 • 万有引力定律 – 最先给出引力的科学、准确的表达式 • 牛顿运动定律和万有引力定律 – 对经典力学进行了最完整和最准确的描述 – 适用于日常物体和天体 • 发明了微积分 – 莱布尼茨发明了现在常用的求导和积分符号
哈工大-空气动力学-第1章绪论及基础知识
纳维-斯托克斯 黏性流体运动方程：N-S方程 雷诺
雷诺实验 层流/湍流 雷诺平均N-S方程 附加雷诺/湍流应力
DV p R Dt
空气-气体动力学
兰金和雨贡纽：激波前后气动参数关系式 瑞利和泰勒：激波关系单向性 马赫：马赫角关系 阿克莱：Ma=V/a 普朗特和迈耶：斜激波和膨胀波理论 布兹曼：圆锥激波解的图解法 泰勒和马可尔：圆锥激波解的数值解 拉伐尔：发明拉伐尔/缩放喷管 斯多道拉、普朗特和迈耶：拉伐尔喷管流动特性
12
森林空气动力学
树木风阻∝风速：种植方式避免风害 风阻树冠/树叶： 树叶在高速风中结构变形 种子传播：繁衍规律、仿生力学
建筑物空气动力学
高/矮建筑物间涡流：风速大于普通布局的3-4倍 建筑物迎背风面： 背风面低压吸力效应 斜屋顶：倾斜角较小吸力效应屋顶掀翻
车辆空气动力学
2
空气与气体动力学的任务、研究方法及发展
流体力学
流体静力学 液体
水力学 理论流体动力学 润滑理论
流体动力学 气体 无黏流动 黏性流动
变化小
不可压缩低速 空气动力学 高度或低压影响
动力气象学 稀薄气体动力学
变化大 高速影响
气体动力学 亚/跨/超声速空气动力学 高超声速空气动力学 3 电磁流体动力学
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空气/气体动力学的其他应用
鸟类/昆虫飞行及扑翼机
合力 升力 推力 均匀来流 合速度 扑动速度
机动性强 举升/推进/悬停/快速变向等动作集于一个扑翼系统 大升力 利用非定常机制，其升力远高于常规飞行器，能够在低雷诺数条件下飞行。
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绕障碍物流动的卡门涡街
低Re数 绕流运动 周期性脱落 旋向相反 排列规则 双列线涡 即卡门涡街
航天器动力学建模与控制研究
航天器动力学建模与控制研究航天器的动力学建模与控制研究是航天工程领域的重要研究方向之一、航天器的动力学建模与控制研究的目的是通过数学模型描述航天器的运动规律，并设计控制策略来使航天器达到预期的运动目标。
在航天器的动力学建模方面，首先需要建立航天器的数学模型。
航天器的数学模型可以分为刚体动力学模型和柔性体动力学模型两类。
刚体动力学模型假设航天器为刚体，不考虑航天器的弹性变形；柔性体动力学模型考虑航天器的弹性变形，通过振态方程描述柔性体的振动状态。
建立航天器的数学模型需要考虑航天器的质量、惯性矩阵、力矩、外部扰动等因素，并采用动力学方程来描述航天器的运动。
在航天器的控制研究方面，首先需要确定所要控制的动态性能指标，如航天器的稳定性、精度、鲁棒性等。
然后，根据航天器的数学模型和控制性能指标，设计相应的控制策略。
常用的控制策略包括比例-积分-微分控制（PID控制）、模糊控制、自适应控制、线性二次调节器（LQR）等。
这些控制策略可以通过调节控制器的参数或者设计适当的控制算法来实现对航天器的控制。
此外，航天器的控制还需要考虑航天器与环境之间相互作用的影响。
例如，航天器在进入大气层时会受到空气阻力的影响，这会导致航天器的轨道变化。
因此，控制航天器的运动还需要考虑环境因素，并设计相应的控制策略来补偿或抵消环境因素的影响。
航天器的动力学建模与控制研究涉及到多学科的知识，包括力学、控制理论、动力学等。
近年来，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，航天器的动力学建模与控制研究也取得了很大的进展。
越来越多的研究者利用数值模拟方法对航天器的动力学特性进行分析和优化，并设计出更加精确和高效的控制策略。
总之，航天器的动力学建模与控制研究是航天工程中的重要内容，通过数学模型和控制策略的设计，可以实现对航天器运动的精确控制，提高航天器的运行稳定性和控制精度。
随着人类对航天事业的不断追求与发展，航天器的动力学建模与控制研究将会在未来得到更加广泛的应用和深入的研究。
哈工大4系飞行器控制实验指导书
飞行器控制实验指导书控制科学与工程教学实验中心2005年3月目录一、实验目的和意义二、实验的基本要求三、Matlab语言基础四、实验项目(一) 实验一飞行器纵向稳定系统综合设计(二) 实验二飞行器侧向稳定器观测器的设计(三) 实验三飞行器爬升率与空速的保持与指令控制(四) 实验四飞行器3维飞行动画仿真实验一、实验目的和意义作为航天学院的学生，掌握飞行器控制方面的知识是必要的。
仅仅通过课堂教学，学生很难切实地掌握飞行器控制的知识，很难熟练地应用飞行器控制的方法。
为了使学生更深刻地理解飞行器控制方面的知识，开设本实验是必要的。
通过飞行器控制实验，可以使学生更直观地理解课堂上学到的理论，使学生能真正做到理论与实际相结合，会应用课堂上所学到的理论来进行飞行器控制系统的设计，同时，使学生掌握用Matlab来进行飞行器控制系统分析与设计的方法。
二、实验的基本要求1．要求学生能较熟练地使用控制系统分析设计软件（Matlab）来进行系统分析与设计。
2．要求学生能熟练地使用Matlab软件进行编程，并在该软件环境下进行调试。
3．要求学生掌握模态控制理论（模态可控、模态可观结构分析；模态控制器设计，模态观测器设计），并编制相应的matlab函数。
4．要求学生能使用所编制的程序进行飞行器控制系统的分析与综合。
三、Matlab语言基础(一) matlab软件的编程环境1．找到MatlabMatlab软件应用程序的图标为，matlab软件被正确安装后，可以将该图标拖曳到桌面上或快捷工具栏中以方便使用。
2．启动Matlab点击Matlab图标会弹出如下窗口(二) 飞行器控制实验中要用到的matlab语句1．赋值语句：A=[0 1 0;0 0 1;-6 -11 -6]2．矩阵的维数：[行,列]=size(A)3．矩阵的秩：n=rank(A)4．矩阵的逆：B=inv(A)5．求特征值和特征向量：[V,eva]=eig(A') V为A T的广义模态矩阵，eva=diag(λ1,…,λn)6．矩阵的转置：A因为是实数阵所以转置可以用A’，A’是A的共扼转置而U,V等复数阵的转置要用conj(V’);7．子阵的抽取：A(i:j,m:n); A(:,1);A(i,j)8．矩阵四则运算：（维数要一致）表达式与标量数值运算同9．循环语句：for i=1:1:n+1程序行end10．条件判断：if(a~=b)程序行end11．结果显示控制：语句后面加“;”则不显示结果。
航天器姿态动力学与控制
姿态参数 – 欧拉轴/角
e
v
u' b
a
u
欧拉轴/角坐标变换示意图
姿态参数 – 欧拉轴/角
zb
za
e
z
x xa
xb
yb
y
ya
姿态参数 – 欧拉参数(姿态四元数)
欧拉参数与方向余弦矩阵的关系
Cbaq02qTqE32qqT2q0q
q202qq1q122qq223q0q32 2q1q3q2q0
2q1q2q3q0
q02q12q22q32
2q2q3q1q0
2q1q3q2q0 2q2q3q1q0
q02q12q22q32
q0
1 2
1 C 11 C 22 C 33
q1
1 4q0
C 23
C 3 2
q2
1 4q0
C 31
C 1 3
q3
1 4q0
C 12
C 2 1
q1
1 2
1 C 11 C 22 C 33
b 细长体航天器的空间锥和本体锥
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
z
自旋航天器在惯性空间的运动
y
x
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
能量椭球和角动量椭球的交线(本体极迹)
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
一般刚体自由姿态运动的本体极迹
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
不变平面和不变线的定义 Poinsot椭圆在不变平面上的无滑动滚动
绪论
章节安排
第一部分 航天器姿态动力学
绪论 第1章 航天器姿态运动学 第2章 航天器姿态动力学基本方程 ➢ 第3章 空间环境力矩 ➢ 第4章 自旋、双自旋航天器的姿态动力学 ➢ 第5章 重力梯度稳定航天器的姿态动力学 ➢ 第6章 三轴稳定航天器的姿态动力学
飞行器设计与工程专业本科生培养方案-航天学院-哈尔滨工业大学
飞行器设计与工程专业本科生培养方案一、培养目标本专业培养具有良好的数学、力学基础和飞行器总体设计、气动设计、结构与强度分析、试验技术等专业知识，能够从事航空航天工程等领域的设计、科研与技术管理等，也可在其它领域从事产品机电一体化设计和控制等方面应用研究、技术开发工作的飞行器设计学科高级工程技术复合型、创新型人才。
二、培养要求本专业的学生应掌握飞行器总体设计、飞行器结构设计、空气动力学、控制系统原理、飞行器制造工艺及设计、实验等方面的基本理论和专业知识，具有飞行器总体设计、气动设计、结构与分析设计、大型先进通用计算软件的应用能力及相关的处理与分析实际问题的能力。
毕业生应获得以下几方面的知识和能力：1.掌握数学和自然科学基础，掌握飞行器设计的基本理论、基本知识；2.掌握飞行器设计的分析方法和实验方法；3.具有飞行器设计的工程能力；4.熟悉航空航天飞行器设计的有关规范和设计手册等；5.了解飞行器设计的理论前沿、应用前景和发展动态；6.掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有一定的科学研究和实际工作能力；7.具有本专业必需的计算、实验、测试、文献检索和基本工艺操作等基本技能和较强的计算机应用能力，对飞行器设计问题具备系统表达、建模、分析求解、论证及设计的能力；8.掌握一门外语，能熟练阅读本专业外文资料，具有一定的听说能力和跨文化的交流与合作能力；9.具有较好的人文艺术和社会科学素养，较强的社会责任感和良好的工程职业道德，较好的语言文字表达能力和人际交流能力；10.了解与本专业相关的法律、法规，熟悉航空航天领域的方针和政策。
三、主干学科航空宇航科学与技术、力学。
四、专业主干课程主要包括理论基础课：理论力学、材料力学、自动控制原理、飞行器结构动力学、计算机辅助设计、可靠性工程、空气动力学；空间飞行器设计方向专业主干课程：航天器轨道动力学、航天器姿态动力学与控制、航天器总体设计；导弹及运载火箭设计方向主干课程：导弹飞行力学、远程火箭弹道学及制导方法、导弹及运载火箭总体设计。
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第7课-空间飞行器轨道控制下
空间交会对接飞行程序
空间飞行器动力学与控制 第七课_空间飞行器轨道控制下
空间交会对接的控制方式有4种。 （1）手动操作：由航天员在轨道上亲自观察 和操作，这是目前比较成熟的方法。但是，对航 天员来说这是一项繁重的工作，这种方式仅适用 于载人航天器；
（2）遥控操作(非自主)：由地面站通过遥测
和遥控来实现，要求全球设站或有中继卫星协助； （3）自动控制：不依靠航天员，由星上设备 和地面站相结合实现交会对接；
两者的对接组件轴在同一条直线上且相互对准，
以保证对接组件接触后的正常工作。 要实现这一点，就要求主动航天器在固定姿 态的情况下(即没有任何转动)能够前进和后退， 能够在任何方向侧移。
因此必须在航天器上配置纵向和侧向运动所
需的小发动机或推力器。
空间飞行器动力学与控制 第七课_空间飞行器轨道控制下
从上述空间交会和对接各阶段的顺序和相对
能够始终对着主动航天器。这样能够有效地减轻主
动航天器的控制任务。
空间飞行器动力学与控制 第七课_空间飞行器轨道控制下
交会对接通常可以分为3个主要阶段。
(1)会合阶段：通过远程导引的轨道控制来
实现两个航天器的会合，一般会合在几万米的相
对距离之内。远程导引方法与航天器的轨道机动
没有什么区别。 (2)接近阶段：通过近程导引的轨道控制使 两个航天器相对距离在1km之内，相对速度在1～ 1.5 m/s以下。
空间交会控制系统设计指标 燃料消耗量、交会花费时间和交会终点所达 到的精度三方面。
在系统设计中若需要满足某一个指标为主，
而其他两个指标处在从属地位，一般应用系统工
程方法，根据空间交会和对接的具体任务，全面
论证这三方面指标的相互关系和主从关系。
空间飞行器飞行动力学(工大教纲)
《空间飞行器飞行动力学》课程教学大纲课程编码： T1180230课程中文名称：空间飞行器飞行动力学课程英文名称：SPACECRAFT DYNAMICS总学时：50 讲课学时：50 实验学时：0习题学时：0 上机学时：0学分：3授课对象：飞行器设计专业、空间环境专业本科生先修课程：高等数学、普通物理、理论力学、自动控制理论教材及参考书：《空间飞行器动力学》，刘暾. 赵钧，哈尔滨工业大学出版社《空间飞行器动力学与控制》，M．H．卡普兰一、课程教学目的《空间飞行器动力学》是一门航天工程专业学生的专业基础课。
本课程主要研究空间飞行器动力学的基本概念、原理和应用，包括轨道动力学和姿态动力学两大部分，其主要任务是培养学生：建立空间飞行器动力学的基本概念，理解飞行器的运动与受力之间的关系，掌握空间飞行器动力学问题的基本分析方法；掌握应用空间飞行器动力学的基本理论，解决一般的空间飞行器动力学应用问题的基本技能；了解空间飞行器动力学理论、方法及其应用的最新发展；掌握使用相关的参考文献、计算机应用软件进行动力学问题研究分析的能力；《空间飞行器动力学》是高等工科院校中航天工程类专业的一门主要课程。
通过该课程的学习，学生可以初步掌握解决空间飞行器动力学问题的基本方法和技能，并了解其他空间飞行器应用问题的动力学依据，为日后从事空间飞行器的动力学及其他的空间飞行器应用专业的研究工作奠定初步的理论基础。
二、教学内容及基本要求轨道动力学部分(上篇)第一章绪论（1学时）概论，齐奥尔科夫斯基公式，单级火箭的极限速度。
第二章空间飞行器的入轨（1学时）运载火箭的运动方程式，纵向平面内的动力学方程，运载火箭导引规律。
第三章空间飞行器的轨道（4学时）两体运动方程的建立、求解，中心引力场中的运动，四种基本轨道的轨道方程、特性及时间方程。
第四章轨道的建立和星下点轨迹（2学时）空间飞行器轨道建立的方法，轨道要素与发射参数的关系，星下点轨迹的描述。
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第4课-空间飞行器轨道动力学中
空间飞行器动力学与控制 第四课 空间飞行器轨道动力学（中）
轨道形状及分类
中心引力场中轨道的形状，满足轨道运动的一般 方程，即
h2 p r 1 e cos(e, r ) 1 e cos
（4.23）
其中 是 e 和 r 的夹角 (也可以用 f 表示)，p
h2
。
空间飞行器动力学与控制 第四课 空间飞行器轨道动力学（中）
空间飞行器动力学与控制 第四课 空间飞行器轨道动力学（中）
航天器在近地轨道运行时 忽略月球和其他星体的引力作 用时可以按二体问题处理。
二体问题轨道运动 基本方程
对于图示二体问题， 在地心赤道惯性坐标系
O X iYi Zi中，
设质点质量分别为 m1，m2 ； 向径分别为 r ， r1 ， r2 ， rc ；
(4.27)
空间飞行器动力学与控制 第四课 空间飞行器轨道动力学（中）
图4.1 二体问题示意图
质点上的万有引力分别为 F1 ，F2 。
空间飞行器动力学与控制 第四课 空间飞行器轨道动力学（中）
根据质心定理
m1 (r1 rc ) m2 (rc r2 ) (4.1)
及
r r1 r2
(4.2)
联立方程(4.1)及(4.2)可得
m2 r1 rc r m1 m2 m1 r2 rc r m1 m2
2 r r 0 2v v 3 r
d 2 2v v v dt
d 1 2 3 r r 2 r dt r
(4.24)
d 2 d 1 v 2μ 0 dt dt r
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“礼炮1号”空间站
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1981年4月，世界上第一 架垂直起飞、水平着陆、可 重复使用的美国航天飞机 “哥伦比亚号”试飞成功， 标志着航天运载器由一次性 使用的运载火箭转向重复使 用的航天运载器的新阶段， 标志着人类在空间时代又上 了一层楼，进入了航天飞机 时代。
美国“哥伦比亚号”航天飞机
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
人类自20世纪60年 代开始探测火星的尝试。 大约半数火星探测任务 成功。 2008年05月25日 ， 美国“凤凰”号火星探 测器成功降落在火星北 极区域，其核心任务是 寻找水和生命痕迹。 2008年11月，凤凰 号与地面控制中心失去 联络。
“凤凰”号挖掘臂挖掘火星土壤的情景
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1988年11月15日，前苏联的暴风雪号航天飞机从 拜科努尔航天中心首次发射升空，47分钟后进入距 地面 250公里的圆形轨道。它绕地球飞行两圈，在 太空遨游三小时后，按预定计划于 9时25分安全返 航，准确降落在离发射点12公里外的混凝土跑道上， 完成了一次无人驾驶的试验飞行。
“水手2号”探测器
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1966年1月，前苏联两艘载人飞船第一次在轨道上成功 交会对接，并实现了两位航天员从一艘飞船向另一艘飞船 的转移。
前苏联“联盟号”载人飞船
前苏联“上升号”载人飞船
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1971年4月19日，前苏联“礼炮1号”空间站入 轨成功，其质量约18t，总长14m，轨道高度200～ 250 km，轨道倾角51.6º ，成为人类第一个空间站。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
13～14世纪，中国的火箭技术与其他火药兵器一 同传到阿拉伯国家和印度，后又传入欧洲。至18世 纪后期，印度军队在抗击英国和法国军队的多次战 争中就曾大量使用火药火箭并取得了成功结果，由 此推动了欧洲火箭技术的发展。 曾在印度作战的英国人康格里夫(William Congreve)在19世纪初对印度火箭作了改进，他确定 了黑火药的多种配方，改善了制造方法并使火箭系 列化，最大射程可达3km。这些初期火箭的原理都 成为了近代火箭技术的最初基础。
风云二号
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1999年11月20日我国成功发射了第一艘试验飞 船“神舟号”，在载人航天领域迈出了坚实的一步
神舟号第一艘试验飞船飞行成功
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
2003年10月15日，我国首位航天员杨利伟乘坐 的“神舟”五号载人飞船，在酒泉卫星发射中心成 功升空。10月16日，“神舟”五号载人飞船在内蒙 古主着陆场成功着陆，标志着我国首次载人航天飞 行获得圆满成功。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
V-2是单级液体火箭， 全长14m，质量为13t， 箭体直径1.65m，最大射 程320km，发动机熄火 高度96km，飞行时间约 320s，有效载荷约1t。 V-2的设计虽不尽完 善，但它却是人类第一 件向地球引力挑战的工 具，成为航天技术发展 史上的一个重要里程碑。
嫦娥二号卫星是嫦娥一号卫星的姐妹星，由长 三丙火箭发射。但是嫦娥二号卫星上搭载的CCD相 机的分辨率将更高，其它探测设备也将有所改进， 所探测到的有关月球的数据将更加翔实。“嫦娥二 号”于2010年10月1日在西昌卫星发射中心发射升空， 并获得了圆满成功.
嫦娥二号
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
神州五号载人飞船
航天英雄杨利伟
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
我国首个空间实验室：天宫一号于2011年9月29 日在酒泉卫星发射中心发射，飞行器全长10.4米，最 大直径3.35米，由实验舱和资源舱构成。
天宫一号
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
2011年11月3日，天宫一号与神舟八号飞船在太 空中成功完成“天神”牵手，实现了载人航天工程 首次空间交会对接任务。
五、航天器的分类
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
一、宇宙的天体系统
自古以来, 飞离地球、遨游宇宙一直是人 类未曾中断过的愿望。
可以说，对星系及浩淼的宇宙孜孜不倦的 探索正是促使人类走出地球，探索宇宙的最 原始的动力。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
太阳系
太阳系是由太阳、行星及其卫星、小行 星、彗星、流星和行星际物质构成的天体 系统，太阳是太阳系的中心。
课程主要内容
本课程20学时，具体如下： 第1课 第2课 第3-5课 第6-7课 第8课 第9课 第10课 绪论 近地空间环境 空间飞行器轨道动力学 空间飞行器轨道控制 载人飞船技术 航天飞机技术 行星际航行
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
参考资料
1．周军，航天器控制原理，西北工业大学精品课程 课件，2005年 http://202.117.80.9/jp2005/15/kcjs/index.htm
云和星际物质组成的天体系统
仙女座(Andromeda)星系。直径16 万光年，距离220万光年，是一个 比我们银河系更大的河外星系，也 是本星系群的成员之一。
椭圆星系半人马A射电源。此星系大约是 在10亿年前，由两个星系面对面碰撞后形 成的。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
二、人类早期的航天探索
药便取代了易燃物，使火箭迅速应用到军事中。
公元10世纪唐末宋初就已经有了火药用于火箭的 文字记载。真正靠火药喷气推进而非弩弓射出的 火箭的外形被记载于明代茅元仪编著的《武备志》 中，见下图。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
这种原始火箭虽然没有现代火箭那样复杂，但 已经具有了战斗部(箭头)、推进系统(火药筒)、稳 定系统(尾部羽毛)和箭体结构(箭杆)，完全可以认 为是现代火箭的雏形。
天宫一号与神舟八号交会对接
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
嫦娥工程是我国实施的第一次探月活动。工程自 2004年1月立项，目前已经完成了嫦娥一号卫星和长 征三号甲运载火箭产品研制和发射场、测控、地面 应用系统的建设。2007年10月24日在西昌卫星发射 中心成功发射升空。
嫦娥一号
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
2．刘暾 赵钧，空间飞行器动力学， 哈尔滨工业大 学出版社，2003年 3．章仁为，卫星轨道姿态动力学与控制， 北京航空 航天大学出版社，1998年
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
第一课 绪论（上）
一、宇宙的天体系统
二、人类早期的航天探索 三、国外现代航天器的发展过程
四、国内现代航天器的发展过程
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
空间飞行器动力学与控制
曹 伟 飞行器动力学与控制研究所 2011年秋季学期
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
教学目的和基本要求
1．了解航天发展史以及空间飞行器动力学与 控制领域的最新进展
2．掌握空间飞行器动力学与控制问题研究的 基本概念、基本方法等
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
我国第一颗返回式遥感卫星发射现场
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1984年4月，我国第一颗中等容量地球静止轨道 通信卫星“东方红二号”发射成功，迎来了我国卫 星通信的新时代，使中国成为世界上第五个独立研 制和发射静止轨道卫星的国家。
东方红二号
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1988年9月，第一颗气象卫星“风云一号”发射 成功。到2007年底，我国已成功发射了4颗极轨气象 卫星和3颗静止轨道气象卫星，成为继美国和苏联/ 俄罗斯后第三个拥有极轨道和静止轨道两个系列气 象卫星的国家。
世界上第一个试图乘坐火箭上天的“航天员” 也出现在中国。相传在14世纪末期，中国有位称为 “万户”的人，两手各持一大风筝，请他人把自己 绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有47支当时最 大的火箭(又称“起火”)。他试图借助火箭的推力 和风筝的气动升力来实现“升空”的理想。 “万户”的勇敢尝试虽遭失败并献出了生命，但 他仍是世界上第一个想利用火箭的力量进行飞行的 人。今天，为了纪念这位传奇式的人物，国际上将 月球表面东方海附近的一个环形山以“万户”命名。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
四、国内现代航天器的发展过程
继1970年4月24日首颗卫星“东方红一号”发射 成功以来，我国航天技术的发展和应用取得了巨大 的成就。
东方红一号
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1975年11月，第一颗返回式遥感卫星从酒泉卫 星发射中心发射升空，使我国成为继美、苏之后， 世界上第三个掌握卫星回收技术的国家。
中国首个火星探测器“萤火一号”及俄罗斯火 星探测器“火卫-土壤”预计于11月9日凌晨自拜科 努尔航天发射基地升空。 随着航天技术应用的发展，航天活动已越来越 显示出其巨大的军事意义和经济效益，已成为国民 经济和国防建设的一个重要组成部分。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1961年4月12日，前苏联成功地发射了第一艘 “东方号”载人飞船，尤里•加加林成为人类第一位 航天员，揭开了人类进入太空的序幕，开始了世界载 人航天的新时代。
前苏联“东方号”载人飞船 人类首位航天员尤里•加加林
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
1962年8月27日，美国发射的“水手2号”探测器 第一次成功飞越金星。它是世界上第一只成功的星 际间探测器。
空间飞行器动力学与控制 第一课 绪论
三、国外现代航天器的发展过程
真正的近代火箭的出现是在第二次世界大战 时的德国。1942年10月3日，德国首次成功地发 射了人类历史上第一枚弹道导弹——V-2(A4型)， 并于1944年9月6日首次投入作战使用。第二次世 界大战期间，先后大约有4300多枚V-2导弹袭击 了英国、荷兰安特卫普港和其他目标，破坏严重。
中国古代的火箭