空间飞行器动力学与控制第3课空间飞行器轨道动力学上
航天器制导与控制课后题答案(西电)
航天器制导与控制课后题答案(西电)1.3 航天器的基本系统组成及各部分作用？航天器基本系统一般分为有效载荷和保障系统两大类。
有效载荷:用于直接完成特定的航天飞行任务的部件、仪器或分系统。
保障系统:用于保障航天器从火箭起飞到工作寿命终止, 星上所有分系统的正常工作。
1.4 航天器轨道和姿态控制的概念、内容和相互关系各是什么?概念：轨道控制：对航天器的质心施以外力, 以有目的地改变其运动轨迹的技术; 姿态控制：对航天器绕质心施加力矩, 以保持或按需要改变其在空间的定向的技术。
内容：轨道控制包括轨道确定和轨道控制两方面的内容。
轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度, 有时也称为空间导航, 简称导航; 轨道控制是根据航天器现有位置、速度、飞行的最终目标, 对质心施以控制力, 以改变其运动轨迹的技术, 有时也称为制导。
姿态控制包括姿态确定和姿态控制两方面内容。
姿态确定是研究航天器相对于某个基准的确定姿态方法。
姿态控制是航天器在规定或预先确定的方向( 可称为参考方向)上定向的过程, 它包括姿态稳定和姿态机动。
姿态稳定是指使姿态保持在指定方向, 而姿态机动是指航天器从一个姿态过渡到另一个姿态的再定向过程。
关系：轨道控制与姿态控制密切相关。
为实现轨道控制, 航天器姿态必须符合要求。
也就是说, 当需要对航天器进行轨道控制时, 同时也要求进行姿态控制。
在某些具体情况或某些飞行过程中,可以把姿态控制和轨道控制分开来考虑。
某些应用任务对航天器的轨道没有严格要求, 而对航天器的姿态却有要求。
1.5 阐述姿态稳定的各种方式, 比较其异同。
姿态稳定是保持已有姿态的控制, 航天器姿态稳定方式按航天器姿态运动的形式可大致分为两类。
自旋稳定:卫星等航天器绕其一轴(自旋轴) 旋转, 依靠旋转动量矩保持自旋轴在惯性空间的指向。
自旋稳定常辅以主动姿态控制, 来修正自旋轴指向误差。
三轴稳定: 依靠主动姿态控制或利用环境力矩, 保持航天器本体三条正交轴线在某一参考空间的方向。
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
“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。
飞行器 结构动力学.
（1-7）
上述三式表明，复振动的速度v(t)比位移x(t)在相位上 超前 2 ；加速度a(t)又比速度v(t) 超前 2 .
第 1章 概 论
第1章
概
论
1.6 振动的频谱
第 1章 概 论
1.6 振动的频谱
在数学上，周期函数可展为傅里叶三角级数，设 x(t)=x(t+kT), k为整数，并令 1 2 / T , 则有
x(t ) a0 (an cos n1t bn sin n1t )
n 1
（1-8）
其中
1 T a0 2T xdt T 2
2 T an 2T x cos n1tdt T 2
第 1章 概 论
1.6 振动的频谱
第 1章 概 论
第1章
概
论
1.3 基本研究方法与分析模型
第 1章 概 论
1.3 基本研究方法与分析模型
最基本的分析模型有两大类：
连续系统模型
离散系统模型
第 1章 概 论
第1章
概
论
1.4 振动的类型
第 1章 概 论
1.4
振动的类型
振动过程是指振动位移、速度、加速度、力和应变 等机械量随时间的变化历程。对振动过程，按不同的标 准有多种分类方法。 a.
飞行器 结 构 动 力 学
第1章 概 论
西北工业大学航天学院
飞行器设计工程系
第 1章 概 论
文 立 华
主 讲 教 师
飞行器结 构 动 力 学
第1章 概 论
西北工业大学
第1章
概
论
1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 1.2 动力问题的基本特性 1.3 基本研究方法与分析模型 1.4 振动的类型 1.5 振动的表示方法 1.6 振动的频谱
飞行器动力学与控制复习要点new
1. 卫星轨道六要素是哪些P2-7),,,,,(p t i e a ωΩ，其中a 半长轴，e 偏心率，i 轨道倾角，Ω升交点赤经，ω近地点幅角，p t 卫星经过近地点时刻。
2.卫星发射三要素是什么P17-18),,(L t A ϕ，其中ϕ发射场L 的地心纬度，A 发射方位角，L t 发射时刻。
3.什么是太阳同步轨道P23选择轨道半长轴a 和倾角i 的组合使d /)(9856.0︒=∆Ω，则轨道进动方向和速率，与地球绕太阳周年转动的方向和速率相同（即经过365.24平太阳日，地球完成一次360°的周年运动），此特定设计的轨道称为太阳同步轨道。
4.什么是临界轨道、冻结轨道P24-25若远地点始终处在北极上空，即拱线不得转动，轨道倾角满足02sin 5.22=-i ，即︒=43.63i 或︒=57.116i 。
此值的倾角称为临界倾角，此类轨道称为临界轨道。
若选择合适的偏心率及合适的近地幅角，使0==e ω，近地点幅角ω被保持，或称被冻结在90°。
轨道的倾角和高度可以独立选择，此类轨道称作冻结轨道。
5.回归轨道的回归系数是什么P26轨道经过N 天回归一次，在回归周期内共转R 圈，每天的轨道圈数（非整数）Q 称为回归系数。
R C Q I NN==±，+表示轨迹东移，-表示轨迹西移。
I 为接近一天的轨道圈数，为正整数。
6.静止轨道的特点、三要素是什么P28 （1） 轨道的周期与地球自旋周期一致 （2） 轨道的形状为圆形，偏心率0e = （3） 轨道处在地球赤道平面上，倾角0i =7.星座轨道的全球覆盖公式相邻卫星星下点之间的角距为2b ，覆盖带宽度为2c ，轨道数为2p cπ=，每一轨道上的卫星数q bπ=，卫星总数2tan ,sin ,sin sin sin 2tan cN pq b c bcπψθθ====8.地球同步卫星群的分置模式有哪几种P36（1） 经度分置模式：各个子卫星沿轨道经度圈分布，位于星座中心定点位置的两侧，具有不同的平经度。
航天器轨道动力学与控制上-马佳
监测数据
●高度 卫星必须在地平线以上 ●天光 光学测量设备或人眼观测时，天空必须足够黑 ●地影 不发光的卫星还需太阳光直接照射
07
地月飞行和星际飞行
地月关系
地月系的三个运动：
●地球自转 ●地球和月球围绕公共质心 的运动 ●月球的自转
月球公转参数：
●椭圆轨道，偏心率0.0549 ●轨道面与地球赤道的夹角 18.2°—28.8° ●黄白道夹角5°9′
加权最小
广义卡尔 曼滤波
二乘法
观测数据集中处理的“批量计 算方法”。
按时间顺序对每个观测数据进 行解算的“序贯计算法”。
卫星的观测预报
概况预报
利用已有的资料，通过解算卫星运动方程，确定卫星可见段的 起止时间和最大高度。
准确预报
确定确定卫星每一时刻的高度角、方位角和卫星到激光测距仪 的距离，以便可以快速、准确的跟踪卫星。
轨道摄动
04
轨道转移
轨道转移概述
轨道转移是指航天飞行棋 在其控制系统作用下，由 沿初始轨道（或停泊轨道）
运动改变为沿目标轨道运
动的一种轨道机动。 转移轨道又称过渡轨道， 是航天器从初始轨道或停
泊轨道过渡到工作轨道的
中间轨道。
共面圆轨道发轨道转移
双脉冲变轨可以使新的轨道完 全脱离原有的轨道。 在两个共面圆轨道之间的最佳 变轨方式为霍曼变轨，其转移
卫星星食
卫星进入地球阴影的现象叫做卫星 食，在卫星食发生时，卫星上的光 电池不能供电，整形温度下降，以 太阳光为信号的敏感器失去作用。 对于静止轨道而言，卫星的星食发 生在春秋分前后各23天的午夜，每 次发生星食的时间不定，最长 72min。
返回轨道概述
返回轨道设计要求
地势平坦，交通便捷 远离城市，通信顺畅 远离高压重要设施 选择已有回收区 利用已有测控网络
飞行器动力学与空气动力学
飞行器动力学与空气动力学飞行器动力学和空气动力学是航空航天领域中非常重要的两个学科，它们研究的是飞行器在运动中所受到的力和力的作用。
飞行器动力学主要研究飞行器如何在空中移动，而空气动力学则是研究飞行器与空气之间的相互作用。
一、飞行器动力学飞行器动力学主要研究的是飞行器的运动特性和控制方法。
飞行器在空中运动时，所受到的力主要包括重力、升力、推力和阻力。
1. 重力重力是地球对飞行器的吸引力，它的作用是使飞行器向地面运动。
飞行器在受到重力的作用下会垂直下降，所以需要通过其他力来抵消重力的作用。
2. 升力升力是垂直于飞行器机翼的力，它的作用是使飞行器能够在空中保持飞行状态。
升力的产生主要依靠机翼的气动特性，当飞行器在空中飞行时，机翼会受到空气的压力，进而产生升力。
3. 推力推力是飞行器前进或改变速度的力，它的产生主要依靠发动机。
飞行器通过发动机喷出高速气流，产生反作用力，从而推动飞行器向前运动。
推力的大小取决于发动机的喷气速度和流量。
4. 阻力阻力是飞行器在运动中所受到的阻碍力，它的作用是使飞行器在空中运动时受到阻碍。
阻力的大小主要取决于飞行器的速度和空气的粘性，对于气动外形较大的飞行器来说，阻力会更大。
在飞行器动力学中，需要对飞行器进行建模和仿真，以便预测飞行器在不同条件下的运动特性。
此外，还需进行飞行器的控制设计，以确保飞行器能够按需运动。
二、空气动力学空气动力学是研究飞行器与空气之间的相互作用的科学，它包括气动力学和气动设计两个方面。
1. 气动力学气动力学研究的是飞行器在空气中运动时所受到的力和力矩。
其中，主要涉及到的力有升力、阻力、侧向力等，力矩则包括滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩等。
通过对飞行器的气动力学性能进行研究，可以预测飞行器在不同姿态下的受力情况。
2. 气动设计气动设计是指根据飞行器在空中的运动要求，进行飞行器外形的设计。
在设计过程中，需要考虑飞行器的气动特性、气动性能和减阻措施等。
通过合理的气动设计，可以使飞行器在空气中运动时具有良好的气动性能和操纵特性。
飞行器动力学与控制复习要点
飞⾏器动⼒学与控制复习要点1. 卫星轨道六要素是哪些P2-7),,,,,(p t i e a ωΩ，其中a 半长轴，e 偏⼼率，i 轨道倾⾓，Ω升交点⾚经，ω近地点幅⾓，p t 卫星经过近地点时刻。
2. 卫星发射三要素是什么P17-18),,(L t A ?，其中?发射场L 的地⼼纬度，A 发射⽅位⾓，L t 发射时刻。
3. 什么是太阳同步轨道P23选择轨道半长轴a 和倾⾓i 的组合使d /)(9856.0?=?Ω，则轨道进动⽅向和速率，与地球绕太阳周年转动的⽅向和速率相同（即经过365.24平太阳⽇，地球完成⼀次360°的周年运动），此特定设计的轨道称为太阳同步轨道。
4. 什么是临界轨道、冻结轨道P24-25若远地点始终处在北极上空，即拱线不得转动，轨道倾⾓满⾜02sin 5.22=-i ，即=43.63i 或?=57.116i 。
此值的倾⾓称为临界倾⾓，此类轨道称为临界轨道。
若选择合适的偏⼼率及合适的近地幅⾓，使0==e ω，近地点幅⾓ω被保持，或称被冻结在90°。
轨道的倾⾓和⾼度可以独⽴选择，此类轨道称作冻结轨道。
5. 回归轨道的回归系数是什么P26轨道经过N 天回归⼀次，在回归周期内共转R 圈，每天的轨道圈数（⾮整数）Q 称为回归系数。
R C Q I NN==±，+表⽰轨迹东移，-表⽰轨迹西移。
I 为接近⼀天的轨道圈数，为正整数。
6. 静⽌轨道的特点、三要素是什么P28（1）轨道的周期与地球⾃旋周期⼀致（2）轨道的形状为圆形，偏⼼率0e = （3）轨道处在地球⾚道平⾯上，倾⾓0i = 7. 星座轨道的全球覆盖公式相邻卫星星下点之间的⾓距为2b ，覆盖带宽度为2c ，轨道数为2p cπ=，每⼀轨道上的卫星数q bπ=，卫星总数2t a n,s i n ,s i n s i n s i n2t a nc N p qb c bc πψθθ====8. 地球同步卫星群的分置模式有哪⼏种P36（1）经度分置模式：各个⼦卫星沿轨道经度圈分布，位于星座中⼼定点位置的两侧，具有不同的平经度。
航空航天工程专业本科培养方案
航空航天工程专业本科培养方案一、专业简介为适应我国航空航天技术飞速发展对高级专业人才的迫切需求，2012年设立航空航天工程本科专业，2013年开始招生。
本专业现有专职师资21人，其中教授5人，副教授10人，多是近年由国内外知名航空航天院校引进，全部具有博士学位。
本专业设有湖南省重点实验室，与航天科工集团联合建立了先进飞行器协同创新中心和空间智能飞行器协同创新中心，形成了以新概念飞行器技术和飞行器结构功能一体化材料为特色的专业方向。
二、培养目标培养具有社会主义核心价值观，品行优秀、身心健康；具备深厚的数学、物理、力学、材料、实验及信息技术基础，掌握航空航天专业扎实的基础理论、系统的专门知识以及本专业的现代分析测试手段；了解本专业的最新进展和研究动态；具备在飞行器设计、飞行器动力学与控制、飞行器结构功能一体化材料和相关领域从事科学研究的能力基础；具有解决工程实际问题和产品研发能力的复合型高级人才。
三、培养要求航空航天工程是在国民经济和国防建设中有重要地位的专业方向，是现代社会发展和科学技术进步的重要高技术领域。
该专业主要以航空器、航天器、火箭与导弹等类型的飞行器的工作原理、结构与设计、飞行动力学与控制、研制与生产、应用与维护等方面为主要学习和研究对象，学科基础涉及数学、物理学、化学、机械学、控制科学、电子信息学、力学等多个学科，具有理论与工程并重、专业性和系统性相结合、学科紧密交叉融合的特点。
根据教育部公布的航空航天类专业教学质量国家标准，结合本专业的人才培养目标和特色，本专业毕业生需要具备的基本知识、能力、素质如下：1.知识要求拥有良好的人文素质知识、学科基础知识、专业知识。
①人文素质知识掌握哲学、思想道德、政治学、法学、社会学、心理学等知识，了解相关知识的发展现状和趋势。
掌握一定的人际交流、管理、行政领导学等知识，满足工程应用中的管理和交流的需要，了解相关知识的发展现状和趋势。
②学科基础知识掌握航空航天工程技术所需的自然科学基础，包括数学、物理、化学等基础，了解相关学科的发展现状和趋势。
飞行器控制与信息工程专业考研方向
飞行器控制与信息工程专业考研方向概述飞行器控制与信息工程是航空航天领域的一个重要专业方向。
本文将介绍飞行器控制与信息工程专业考研方向的相关信息，包括专业背景、研究内容、就业前景等。
专业背景飞行器控制与信息工程专业是航空航天工程学科下的一个分支，旨在培养掌握飞行器控制与信息工程的基本理论和方法，具备分析和解决飞行器控制与信息工程相关问题的能力。
研究内容飞行器控制与信息工程专业的研究内容包括但不限于以下方面：1.飞行器控制系统设计与优化；2.飞行器动力学与控制；3.飞行器导航与制导；4.飞行器应用与仿真技术；5.飞行器通信与数据链路；6.飞行器传感器与信息处理；7.飞行器故障诊断与容错控制。
就业前景飞行器控制与信息工程专业毕业生可在航空航天、国防科技、航空器制造、航空航天研究院等单位从事设计、研发、制造、测试和应用等工作。
另外，随着航空航天技术的不断发展和飞行器的广泛应用，对掌握飞行器控制与信息工程知识的专业人才的需求也越来越大。
因此，飞行器控制与信息工程专业的就业前景较好。
专业要求对于想要从事飞行器控制与信息工程专业的考研学生，一般要求具备以下条件：1.数学、物理等基础学科扎实；2.具备一定的工程背景，如电子、自动化等专业；3.对飞行器与航空航天领域感兴趣；4.有较强的分析和解决问题的能力。
考研备考建议如果你有意向考研飞行器控制与信息工程专业，以下是一些建议：1.系统学习相关基础课程，如数学、物理、电子、控制等；2.关注航空航天领域的最新科研成果和技术进展；3.参加相关实践活动，如参与学校的科研项目或实验室的实习；4.刷题巩固基础，尤其是考研数学和专业课的知识；5.多参加模拟考试，熟悉考试规则和形式；6.注重个人综合素质的提高，如口语表达能力、组织协调能力等。
结语飞行器控制与信息工程专业是航空航天领域的重要方向之一，对于追求研究和应用飞行器技术的人来说，是一个不错的选择。
希望本文对考研飞行器控制与信息工程专业方向有所帮助。
轨道动力学分析分解课件
它涉及到经典力学、相对论力学 以及天体力学的相关知识，为航 天器轨道设计、行星探测和宇宙 航行等提供重要的理论支持。
轨道动力学的研究目的
揭示天体运动的规律和机制， 理解轨道参数变化对运动特性 的影响。
为航天器轨道规划和姿态控制 提供理论依据，提高航天器的 运行效率和安全性。
探索未知天体和宇宙现象，推 动天文学和宇宙科学的发展。
动量守恒定律
总结词
描述系统动量的变化规律，系统不受外力或合外力为零时，系统的动量保持不 变。
详细描述
动量守恒定律是物理学中的一个基本定律，它指出如果一个系统不受外力或合 外力为零，则系统的动量保持不变。在轨道动力学中，这个定律用于描述天体 的运动规律，特别是行星、卫星等天体的轨道运动。
角动量守恒定律
描述轨道力学中物体运动规律的方程式，包括轨道方程、速度方程和加速度方程等。
详细描述
轨道力学的基本方程是描述天体运动规律的数学表达式。这些方程包括轨道方程、速度方程和加速度方程等，它 们可以用来计算天体的位置、速度和加速度等运动参数。这些方程基于牛顿的万有引力定律和运动定律，是轨道 力学分析的基础。
03
有限元法的局限性
有限元法的计算量较大，需要消耗较多的计算资源和时间。此外，有限元法的精度受到离散化的影响， 对于某些特殊问题可能需要特殊的处理和建模技巧。
04
CATALOGUE
轨道动力学在工程中的应用
铁路轨道设计
总结词
轨道动力学在铁路轨道设计中发挥着 关键作用，确保列车安全、稳定地运 行。
详细描述
CATALOGUE
轨道动力学分析方法
解析法
01
解析法定义
解析法是一种通过数学公式和定理来求解轨道动力学问题的方法。它基
飞行力学与飞行控制-华中科技大学研究生院
§3.3飞行控制系统设计中存在的困难
§3.4飞行控制设计方法
§3.5先进飞行控制技术议题
第四章航天器运动方程
§4.1航天器旋转和平移动力学模型
§4.2航天器姿态模型
§4.3航天器运动和平衡条件
§4.4航天器先进建模问题
第五章航天器控制
§5.1航天器控制模型
§5.2飞行控制目标
1、师资方面：
课程负责老师在美国一流航空航天院系受过相关领域的教育和训练，其他老师也在美国名校接受过专业学校。
2、教学内容方面：
以该领域前沿研究课题作为实例，培养学生理论结合实际的能力，掌握正确科研方法，并且深入了解该领域前沿科研方向。
3、教学方式方面：
采用了以英文方式为主的授课形式，营造了一个既密切结合专业又反映科技前沿、生动活泼的情景，从而充分调动了学生们的参与积极性，使学生在掌握国际前沿专业理论同时，提高了专业英语应用能力。授课过程中，采用国际一流的教学方法和理念。
章节目录第一章刚体运动11简介12旋转运动13平移运动14牛顿欧拉方程第二章机体运动方程21机体旋转和平移动力学模型22非线性逼近模型23纵向飞行机动性24线化逼近模型25不同坐标系下飞机运动方程描述26飞机先进建模问题第三章飞行控制31飞行控制变量32飞行控制性能评估33飞行控制系统设计中存在的困难34飞行控制设计方法35先进飞行控制技术议题第四章航天器运动方程41航天器旋转和平移动力学模型42航天器姿态模型43航天器运动和平衡条件44航天器先进建模问题第五章航天器控制51航天器控制模型52飞行控制目标53速度稳定性54姿态稳定性和跟踪问题55旋转稳定性56控制设计方法57航天器先进姿态控制问题教材
Wassim M. Haddad
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。
国防科技大学主要研究领域
国防科技大学的主要科研领域1、计算流体力学与应用主要开展飞行器气动布局及分析、非流动及动态特性研究、高精度数值计算方法研究、面向多体分离和物体变形引起流固耦合非定常流动问题的数值模拟方法和气动弹性等问题研究。
2、高超声速空气动力学主要开展高超声速飞行器一体化设计、高超声速气动力（热）预示方法、吸气式飞行器布局优化设计、再入飞行器气动光学效应、等离子体数值模拟方法、非平衡流动模拟方法及应用等方面的研究。
3、实验空气动力学与应用研究低跨超/高超声速空气动力气实验模拟技术与设备，包括超声速风洞和高超声速风洞的设计理论与技术，研究飞行器的气动力/气动热实验技术、飞行器流场结构先进的接触精细测试技术及其在工业军事上的应用。
4、飞行器结构分析与设计本方向主要开展材料本构理论、断裂与损伤力学理论和界面力学理论，固体火箭发动机结构完整性分析与贮存寿命预估，线弹性、粘弹性、塑性材料和复合材料结构的动、静态响应与稳定性分析、优化与试验，结构振动控制技术，非线性动力学理论与应用等方面研究。
5、束能与电磁推进主要研究吸气式脉冲激光爆震推力器数值模拟、太阳光热推力器高温陶瓷加热室制备、激光与放电烧蚀脉冲等离子体推力器等。
6、推进系统动态学与状态监控主要研究可重复使用运载器推进系统故障诊断与健康监控、液体火箭发动机瞬变过程动力学建模与仿真、卫星推进系统故障诊断与自主管理等。
7、火箭发动机燃烧与流动主要研究火箭发动机燃烧稳定性、冲压流动与燃烧机理、合成射流与推力矢量控制、凝胶推进剂雾化与燃烧技术等。
8、飞行器总体设计技术本研究方向主要开展导弹、运载等飞行器的总体方案论证和多学科协同设计、精度分析与评估、航天器回收与航空救生技术等方面的研究。
9、飞行器总体技术本研究方向重点开展高超声速飞行器总体一体化设计、飞行器布局优化设计及应用等方面的研究。
10、高超声速推进技术本研究方向主要开展超燃冲压发动机、发动机地面试验与飞行试验技术、高超声速飞行器机体/推进系统一体化设计、超声速燃烧与流动机理等方面的研究。
《飞行动力学与飞行控制》教学改革
创新教《飞行动力学与飞行控制》教学改革探索与实践吴宇*吉洪蕾黎蕾蕾张琳（重庆大学航空航天学院重庆400044）摘要：《飞行动力学与飞行控制》作为航空宇航科学与技术学科的研究生专业课程，因其对航空背景知识要求较高、学生认识程度不够、授课内容涉及多个基础学科的知识、需要理解与进行公式推导的知识点较多等，导致学生学习效率不高，教学效果不够理想。
面对以上情况，课题组基于近几年的教学实践与学生反馈，对课堂教学内容、教学方式、考核形式等方面进行了初步探索与尝试，以科研问题为导向，强调知识的应用性，设计了多种形式的教学环节，提高了课程内容的针对性、教学手段的科学性、学生学习的积极性。
关键词：飞行动力学与飞行控制航空宇航科学与技术研究生专业课科研问题导向中图分类号：V212-4;G642.0文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)07(b)-0217-04 Exploration and Practice of Teaching Reform for the CourseFlight Dynamics and ControlWU Yu*JI Honglei LI Leilei ZHANG Lin(College of Aerospace Engineering,Chongqing University,Chongqing,400044China) Abstract:Flight Dynamics and Control is is a graduate professional course of Aerospace Science and Technology.Due to its high requirements for aviation background knowledge,students'insufficient understanding,the teaching content involves knowledge of multiple basic disciplines,and there are many knowledge points that need to be un‐derstood and formula derivation,students'learning efficiency is not high,and the teaching effect is not ideal.In the face of the above situation,based on the teaching practice and students'feedback in recent years,the research group has made a preliminary exploration and attempt in the aspects of classroom teaching content,teaching methods,ex‐amination forms,etc.,and guided by scientific research problems,it emphasizes the application of knowledge,de‐signs various forms of teaching links,and improves the pertinence of course content,the scientificity of teaching means,and the enthusiasm of students'learning.Key Words:Flight Dynamics and Control;Aerospace Science and technology;Specialized course for the graduate;Scientific research problem orientation《飞行动力学与飞行控制》课程，主要以固定翼飞机作为研究对象，讲授关于飞行器运动建模、操纵性稳定性分析、控制律设计方面的内容［1］。
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第9课-航天飞机技术
总之，航天飞机上共配置以上9种敏感器30 套，共40个。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
（２）航天飞机系统的执行机构
主发动机和外储箱 航天飞机的主发动机采用的是当今世界上最
先进的高压补燃氢氧发动机。航天飞机的主发动 机是一种可重复使用的、高性能、可调节推力的 液体推进剂火箭发动机，它为航天飞机提供主要 推力。
每台固体助推器均由固体火箭发动机、推力矢 量控制系统、分离、回收、自爆安全、电子设备 、推力终止、故障检测等分系统以及头锥、前段 、尾裙、支撑等结构组成。
两台固体火箭助推器是与航天飞机主发动机几 乎同时工作的，与主发动机平行燃烧，以提供最 初的上升推力，两分钟后依靠分离系统与航天飞 机及其外储箱在50 km高空同时分离。
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微波扫描波束着陆系统 用来测量航天飞机在着陆前最后20 km距离
的Байду номын сангаас确位置。
雷达高度表 根据无线电波反射原理，直接测量航天飞机
离地面的高度，而不要求地面辅助。该装置用在 轨道器着陆阶段。航天飞机上安装两套作为双重 冗余系统。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
机上自主轨道确定往往需要精确的姿态信息 ，才能精确确定轨道。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
惯性测量单元
航天飞机采用三套惯性测量单元，以并行冗 余方式装在一个整体结构里。
为了保证惯性测量单元的测量精度和对它进 行校准的精度，惯性测量单元与两个星跟踪器装 在同一个导航基座上，位于航天飞机的前舱。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
航天器飞行原理
航天器控制方式分类
航天器控制方式按照地面测控系统参与程度，可分为 地面控制和自主控制；按照是否对航天器运动控制效果进 行实时测定，并作为反馈去影响控制信号的确定，可分为 闭路控制和开路控制；按是否消耗航天器上的能源可分为 主动控制和被动控制；按姿态运动状态分为自旋稳定航天 器控制和三轴稳定航天器控制。
典型的航天器姿态控制系统
偏置动量三轴稳定航天器控制系统
太阳敏 感器
地球敏 感器
星载计算机
中心控制电 路
动量轮驱 动电路
推力器驱 动电路
陀螺仪
帆板驱动 电路
东方红3号卫星姿态轨道控制系统
动量轮
双组元发 动机、推
力器
帆板驱动 组件
偏置动量三轴稳定航天器控制系统
东方红3号卫星采用全轨道三轴稳定，其姿态轨道控 制系统组成如上图。该卫星在转移轨道期间用太阳敏感 器、地球敏感器、陀螺仪测量姿态。在地面系统的操作 下，用卫星上的双组元推力器作为执行机构，以星上计 算机和中心控制线路为核心实现自主闭环姿态控制，完 成太阳捕获、地球捕获、建立点火姿态、变轨发动机点 火等动作。用双组元变轨发动机完成轨道控制。
– 第二定律：在相等的时间内，行星与太 阳的连线所扫过的面积相等。
– 第三定律：行星运动周期的平方与行星 至太阳的平均距离的立方成正比，即行 星公转的周期只和半长轴有关。
太阳 行星轨道
2.5 航天器飞行基本原理
• 2.5.2 空间飞行器的轨道
– 两体问题：天体力学中的一个最基本的近似
模型。研究两个可以视为质点的天体在其相互 之间的万有引力作用下的动力学问题。在该问 题研究过程中是将惯性空间某两星体孤立地进 行研究，如地球和月球、太阳和某颗行星或某 些双星那样的问题。
空间动力学
空间动力学
摘要：
一、空间动力学的概念
二、空间动力学的研究对象
三、空间动力学的发展历程
四、空间动力学在我国的应用与前景
正文：
空间动力学是一门研究空间环境中物体运动规律的学科，涉及天体物理学、航空航天工程等多个领域。
空间动力学研究的主要对象是在地球引力场、大气层以及太阳风等空间环境中的航天器、人造卫星、宇宙尘埃等物体。
空间动力学的发展历程可以追溯到20世纪初。
当时，科学家们开始研究地球附近的空间环境以及近地轨道上的物体运动。
随着人类航天事业的发展，空间动力学的研究范围逐渐扩大，研究方法和技术也不断完善。
在我国，空间动力学的研究始于上世纪50年代，经过几代科学家的努力，我国空间动力学的研究取得了显著成果，为我国航天事业的发展作出了重要贡献。
在我国，空间动力学的研究主要集中在以下几个方面：
1.航天器轨道设计：通过研究航天器的运动轨迹，为航天器的发射、飞行、对接等过程提供轨道参数。
2.空间环境模拟：分析地球引力场、大气层、太阳风等空间环境对航天器的影响，为航天器的研制和运行提供参考。
3.空间飞行器控制：研究飞行器的动力学特性，为飞行器的姿态控制、轨
道调整等提供技术支持。
4.空间碎片轨道预报：分析空间碎片的运动规律，预测其轨道变化，为空间碎片的清除和航天器的避让提供依据。
空间动力学在我国航天事业中发挥着重要作用。
随着我国航天事业的不断发展和空间探测任务的日益增多，空间动力学的研究将面临更多的挑战和机遇。
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火箭在主动段飞行时，通常攻角都很小，所飞
越的地心角也很小，若略去不计，即得：
dv P D g sin
dt m m
（3-5）
其中火箭的推力 P 为
P mve ( pe pa )Se
代入式（3-5）得到
dv
ve
dm mdt
dt
1 m
Se (
pe
pa
)dt
D m
dt
g
s in dt
（3-6）
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
积分上式，得到主动段终点的速度为：
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
把作用在火箭上所有的力，
投影到速度方向（
X
轴）上，
1
推力： 重力：
阻力：
升力：
得到运动方程为： dv 1 (P cos D) g sin( )
dt m
（3-4）
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
dv 1 (P cos D) g sin( )
图3.3 CD与马赫数 Ma 和攻角 的关系
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
图3.4
C
与马赫数
L
Ma和攻角
的关系
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
“俯仰力矩”的产生
火箭发动机工作时，推进剂在不断消耗，所以火 箭质心位置随时在变。
同时，气动阻力和升力也随飞行速度和大气条件 而变化，所以压心也随之变化。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
第三种方案：与第二方案基本相同，只是要求自由飞行 段要绕地球半圈，即自由飞行段起点和终点正好在地心 的连线上。
这种发射方案所消耗的能量最省，所以称为“最佳 轨道”也叫做“霍尔曼轨道”。
在制定火箭发射方案时，要受到发射场区的位置、 测控台站的布局、航区和落点的安全等因素的限制，不 一定采用自由飞行段很长的理想发射方案，而可能会采 用多消耗一些能量，甚至经常采用一次主动段就把卫星 送入轨道的发射方案。
运载器从地面起飞到航天飞行器入轨。 主动段：火箭发动机的工作段； 自由飞行段：从火箭发动机停机到航天飞行器入轨。 运行轨道： 人造地球卫星进入所设计好的轨道执行任务。 返回轨道：
从人造地球卫星制动火箭点火，到再入舱降落到 地球表面的飞行轨迹
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
图3.1 卫星的发射轨道、运行轨道和返回轨道
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
作用在运载火箭上的力与力矩
运载火箭上作用的力有： 发动机推力 P 地球对火箭的引力G 气动阻力 D 和气动升力 L 控制力等。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
推力：作用方向沿运载火箭纵轴指向前方。 地球引力：指向地心，作用于火箭的质心上。 阻力：平行于火箭的运动方向，指向相反。 升力：垂直于运动方向，指向向上。阻力和升力 的作用点是在火箭的压力中心上。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
运载火箭的飞行轨道
（1）运载火箭的发射方案
运载火箭发射航天飞行器的飞行轨道有3种方案
图3.5运载火箭的飞行弹道
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
第一种方案：一次主动段就直接入轨。 这种方案比较简单易行，但消耗的能量比较多。
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（2）运载火箭的 主动段轨道
在主动段飞行时，作用 在火箭上的力和力矩 如图3.6所示
图3.6 在主动段作用于火箭上的力系
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
XOY为发射平面坐标， X1O1Y1为速度坐标。图中 为地心角， 为俯仰角， 为 速度方向角， 为火箭飞行 攻角。
图3.2 作空间飞行器轨道动力学（上）
通常，把火箭在空气中飞行时所产生的总空气 动力，分解为阻力 D和升力L。
气动阻力的计算公式为：
D
CD
1 2
v 2 S
（3-1）
式中 S ——火箭的横截面面积；
1 v2 ——单位体积气流的动能，称为“速
2
度头”；
CD ——火箭的阻力系数。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
俯仰阻尼力矩 在俯仰方向上，还有俯仰阻尼力矩 M 。这是由
于箭体表面压力分布的变化和空气有粘性而产生了 摩擦力引起的。
其他力矩
由于空气动力和推力的作用线不与火箭的纵轴 重合，还存在着偏航力矩 M ，偏航阻尼力矩 M ， 滚转力矩 M 及滚转阻尼力矩 M 等。
第二种方案：先用一段主动段，把大部分推进剂在较低 的高度上消耗掉，让火箭获得足够大的速度，而进入一 段自由飞行段（被动段）。当火箭飞行到预定轨道高度 时，再加一小段主动段，让火箭再一次加速进入预定轨 道。
火箭所携带的大部分推进剂，在地球附近就消耗掉， 比在离地球更高的地方消耗掉，可节省为提高火箭的推 进剂势能所消耗的这部分能量。第二方案就是利用这个 道理而设计的飞行轨道，所以比第一方案节省了能量。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
火箭升力的计算公式为：
L
CL
1 2
v 2 S
式中
CL ——火箭的升力系数。
（3-2）
CD 和 CL 不但与火箭的外形有关，同时都随 速度和攻角的变化而变化。
CD ，CL与马赫数 Ma 和攻角 的变化规律见下图。
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
因此，火箭的压心和质心很少重合在一个点上，
阻力和升力对质心必然要产生一个力矩M 。使火箭
绕横轴 O1Z1转动的力矩称为“俯仰力矩”，以 M表 示， 其表达式为：
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
M
C
1 2
v 2 Sl
式中 C ——俯仰力矩系数；
l ——火箭的特征长度。
（3-3）
空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
一、航天器发射轨道 二、人造地球卫星轨道的坐标与时间
一、航天器发射轨道 空间飞行器动力学与控制 第三课 空间飞行器轨道动力学（上）
航天器的轨道是指航天器的飞行轨迹。包括发射 轨道、运行轨道和返回轨道。以人造地球卫星为例， 发射轨道：