空间飞行器动力学与控制
航天器姿态动力学与控制(哈尔滨工业大学) ——李立涛
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
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
推力倾斜的自旋航天器
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
带有姿控推力器的自旋航天器
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
美国探险者一号卫星
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
Cz
C S
SC SC S
C S SSC CC
S S SCC
CS
S
CC
tan
1
C21 C22
sin1 C23
tan
1
C13 C33
有能量耗损时的本体极迹
第4章 自旋、双自旋航天器姿态动力学
一般准刚体的姿态动力学模型
x
Iy Iz Ix
yz
Mx Ix
T
(Ix
I
2 x
x / Iz )x2 (I y
I
2 y
/ Iz )y2
y
Iz Ix Iy
xz
My Iy
T
(Ix
I
2 x
y / Iz )x2 (I y
Cba Cz Cx Cz SC CC S
S S
CS SCC SS CCC
S C
SS
C
S
C
tg
1
C31 C32
飞行力学与飞行控制讲稿-1
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三、飞机的主要组成部分及其功能
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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)
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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)。
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图2-2
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操稳性差)
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2
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)
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3
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
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1
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-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。
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。
第一章-4 飞行动力学-飞机方程
可得
dV 1v iu jv kw dt
又有
i V p u
j q v
k r w
展开:
V i wq vr j ur wp k (vp uq )
Hale Waihona Puke F 按各轴分解,表示为:
各轴分量:
F iX jY kZ
飞机的力方程
I xy I zy 0
二、动力学方程(锁定舵面)
飞行器动力学方程可由牛顿第二定律导出
i
d 力方程: F dt (mV )
式中:F — 外力,m —飞行器质量 V —飞行器质心速度, M — 外力矩 H — 动量矩, i — 对惯性空间 依据假设1,m=常数; 依据假设2,地面为惯性系,去掉 i 得 dV
zg
-sin cos sin cos cos
表中,oxayaza为气流轴系点, oxgygzg为地轴系点 xg 设方向余弦表为矩阵Mag xa y M y 速度坐标与地轴坐标可以互相转换 ag g a T z za M ag1 M ag Mag是复共轭矩阵,满足: g 地速与空速: x V cos cos
表中,oxayaza为气流轴系点, oxyz为机体轴系点 满足关系:
xa x y M y ab a za z
T M ab1 M ab
四、飞机运动方程的线性化及分组
飞机动力学的力与力矩方程是联立的非线性方程,气动力、 气动力矩等都是运动参数的非线性函数,分析与求解方法 复杂。
x0 ,u0
导弹飞行动力学与控制21页PPT
导弹飞行力学
第一章 导弹飞行的力学环境
1.1 常用坐标系及其变换关系
1. 常用坐标系
a. 地面坐标系oxyz
坐标原点:发射点 ox轴:目标方向 oy轴:垂直向上 oz轴:与 ox 轴和 oy 轴构
成右手坐标系
y x
o
目标
发射点
z
图1 地面坐标系
目的:确定导弹的空间姿态及速度方向等,以研究导弹 质心运动的规律(弹道)
导弹飞行力学
d. 速度坐标系oxcyczc
yc
弹道 o
导弹纵轴
v
zc
坐标原点:瞬时惯性中心
oxc轴:导弹速度方向
oyc轴:导弹纵向对称面内
与 oxc 轴垂直,向
xc
上为正
ozc轴:与 oxc 轴和 oyc 轴 构成右手坐标系
图4 速度坐标系
目的:作用于导弹的气动力在该坐标系内给出
导弹飞行力学
2. 坐标变换
o
z ψc
v sinθ
x2
θ
x
ψc
x2’
v cosθsinψ c
矢量与水平平面间的 夹角,即速度矢量在 地面坐标系 oxz 平面 内的投影 ox2’ 与 ox2 轴间的夹角,由 ox2’ 逆时针转向 ox2 时为 正
z2
ψc — 弹道偏角, ox2’ 轴与
图5 弹道固连坐标系与地面坐标系间的关系
地面坐标系 ox2 轴间 的夹角,由 ox2 轴逆
导弹飞行力学
ζ — 俯仰角,导弹纵轴 ox1 与 地面坐标系 oxz 平面间的 夹角, ox1 指向地面上方 时为正
ψ — 偏航角,导弹纵轴 ox1 在 地面坐标系 oxz 平面上的 投影 ox1’ 与地面坐标系 ox 轴间的夹角,由 ox 轴逆 时针转至 ox1’ 时为正
航天器动力学与控制技术的研究与应用
航天器动力学与控制技术的研究与应用航天器动力学与控制技术是航空航天领域中非常重要的一个分支,它可以使航天器准确控制动作、稳定运行和预测运动轨迹,为实现精确的轨道控制和导航提供了坚实的技术基础。
本文将从三个方面进行探讨,分别是航天器动力学建模、动力学控制及航天器姿态控制。
一、航天器动力学建模航天器的动力学行为是指航天器在运动过程中所表现出来的各种物理现象。
在进行航天器动力学研究之前,需要先对其进行合理的建模。
航天器可以看作是一个复杂的非线性系统。
因此,在对其进行建模时需要考虑多个因素,如姿态、方向、速度等。
航天器的建模与设计需要主要考虑地球重力以及其它外部干扰等因素。
通过对这些因素进行综合考虑,可以建立起一套完整的航天器动力学模型以及控制方案。
二、动力学控制动力学控制是指利用控制理论为航天器制定控制算法的一门技术。
动力学控制的主要任务是为航天器动态行为中的各种问题提供合适的控制策略。
动力学控制的技术手段主要包括PID控制、模型预测控制、自适应控制等。
其中,PID控制是一种广泛应用于动力学控制中的算法。
它通过比较实际状态和目标状态的偏差,调整控制量,使得航天器动态行为保持稳定。
自适应控制相比PID控制具有更好的自适应性能,可以适应不同的环境变化。
模型预测控制则采用了复杂的动力学模型来进行控制,使得航天器的控制策略更加准确和可靠。
三、航天器姿态控制航天器姿态控制是指对其方向、角度、陀螺仪等信息的实时监测和调整。
航天器姿态控制通常包括三个部分:姿态检测、姿态算法和姿态控制。
其中,姿态检测是指监测航天器当前的方向、角度、陀螺仪数据等信息。
姿态算法是根据航天器的姿态信息,计算出航天器当前的姿态角度。
姿态控制是根据计算出来的姿态角度,通过控制器进行反馈调节,以保证航天器的姿态保持稳定。
航天器姿态控制是航天器动力学和控制技术的重要组成部分,它对保证航天器的安全、稳定运行和准确控制具有至关重要的作用。
结语:航天器动力学与控制技术的研究与应用,不仅是航天器设计中必须掌握的技术,也是保证航天器精确轨迹控制和姿态控制的关键技术之一。
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
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第6课-空间飞行器轨道控制上
(6.2)
Vf
1 1 2 μ r r1 r2 f 1
14
(6.3)
m /s
3 2
式中,μ 为地球引力常数 3 . 986
005 10
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
变轨姿态应使推力矢量在当地水平面内,与目 标轨道平面的夹角
ψ
为 (6.4)
V0 ψ arcsin sin i V
1 rB
rA rB 2 rA
(6.14)
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
三、轨道保持
克服摄动影响,使航天器轨道的某些参数保持不 变的控制,称为轨道保持。
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
近地圆轨道的保持
(1) 轨道要素设计要求
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
(2)不相交轨道的速度增量
要完成两个不相交轨道间的转移,通常需要有 两个速度增量;如图6.2所示,卫星利用速度增量通 过中间轨道完成轨道到轨道的转移。和前面一样, 速度增量必须具有这样的大小和方向,使得合成的 速度矢量对应于新轨道在给定点的应有值。
2 2
1 2
δi
(6.16)
因此,此类遥感卫星的轨道要素——倾角、半长 轴和偏心率(矢量)必须精确地符合设计要求。为 消除轨道摄动,由星载推进系统进行轨道修正,轨 道保持的精度要求约 为: i 0 . 02 , a 150m , e 2 10 4, 0 . 05
图6.2 不相交轨道的轨道转移
空间飞行器动力学与控制 第六课_空间飞行器轨道控制
第四章航天器的姿态动力学与控制
11.3.6 姿态敏感器
姿态就是航天器在空间的方位,而姿态敏感器用来测量航天器 本体坐标系相对于某个基准坐标系的相对角位置和角速度,以确 定航天器的姿态。要完全确定一个航天器的姿态,需要3个轴的角 度信息。由于从一个方位基准最多只能得到两个轴的角度信息 (俯仰和偏航),为此要确定航天器的三轴姿态至少要有两个方 位基准。姿态敏感器按不同的基准方位,可分为下列5类:1、以 地球为基准方位:红外地平仪,地球反照敏感器;2、以天体为基 准方位:太阳敏感器,星敏感器;3、以惯性空间为基准方位:陀 螺,加速度计;4、以地面站为基准方位:射频敏感器;5、其 他:例如磁强计(以地磁场为基准方位),陆标敏感器(以地貌 为基准方位)。
单轴
与喷气推力器三轴姿态稳定系统相比,飞轮三轴姿态稳定系统 具有多方面的优点。
1、飞轮可以给出较精确的连续变化的控制力矩,可以进行线性控 制,而喷气推力器只能作非线性开关控制。因此飞轮的控制精度一 般比喷气推力器的高一个数量级,而且姿态误差速率也比喷气控制 小。
2、飞轮所需要的能源是电能,可以不断通过太阳能电池在轨得到补 充,因而适合于长寿命工作。喷气推力器需要消耗工质或燃料,在 轨无法补充,因此其使用寿命大大受限,基本上与航天器携带的工 质或燃料质量成正比,而且还有长期密封问题。
11.3.3 自旋稳定
自旋稳定的原理:是利用航天器绕自旋轴旋转所获得的陀螺定轴 性,使航天器的自旋轴方向在惯性空间定向。它的主要优点首先是为 航天器获得规则的姿态运动提供了一种简单的手段。自旋卫星利用非 常简单的仪器便可提供姿态信息,而且因为运载工具通常是以自旋方 式入轨的,所以航天器很容易达到完全无源的惯性定向,并且有一定 的精度。其次,由于自旋运动具有比较大的动量矩,因此航天器抵抗 外干扰的能力很强,因为当自旋航天器受到恒定干扰力矩作用时,其 自旋轴是以速度漂移,而不是以加速度漂移。加之自旋稳定能使航天 器发动机的推力偏心影响减至最小,因此自旋稳定方式在航天器,特 别是在早期发射的航天器中得到了广泛的应用。
飞行动力学知识点
《飞行动力学》掌握知识点第一章掌握知识点如下:1)现代飞机提高最大升力系数采取的措施包括边条翼气动布局或近耦鸭式布局2)飞行器阻力可分为摩擦阻力、压差阻力、诱导阻力、干扰阻力和激波阻力等3)试描述涡喷发动机的三种特性:转速(油门)特性,速度特性,高度特性并绘出变化曲线. P8 答:转速特性是在给定调节规律下,高度和速度一定时,发动机推力和耗油率随转速的变化关系。
速度特性是在给定调节规律下,高度和转速一定时,发动机推力和耗油率随飞行速度或Ma的变化关系。
高度特性是在发动机转速和飞行速度一定时,发动机推力和耗油率随飞行高度的变化关系。
第二章掌握知识点如下:1)飞机飞行性能包括平飞性能、上升性能、续航性能和起落性能。
2)飞机定直平飞的最小速度受到哪些因素的限制?答:允许升力系数,抖动升力系数,最大平尾偏角,发动机可用推力。
3)为提高飞机的续航性能,飞机设计中可采取哪些措施?答:设计中力求提高升阻比,增加可用燃油量,选用耗油率低,经济性好的发动机,选择最省油状态上升和最佳巡航状态巡航。
第三章掌握知识点如下:1)了解飞机机动性的基本概念。
答:飞机机动性是指飞机在一定时间内改变飞行速度,飞行高度和飞行方向的能力,相应的分为速度机动性,高度机动性和方向机动性。
按航迹特点分为铅垂平面内,水平平面内和空间的机动飞行。
2)了解飞机敏捷性的基本概念和目前用来评价敏捷性的指标。
答:飞机的敏捷性是指飞机在空中迅速精确的改变机动飞行状态的能力。
选用状态变化和时间两个属性来衡量飞机敏捷性。
敏捷性按照时间尺度分为瞬态敏捷性,功能敏捷性和敏捷性潜力;按照飞机运动形式分为轴向敏捷性,纵向敏捷性和滚转敏捷性。
第四章掌握知识点如下:1)了解“方案飞行”和“飞行方案”的基本概念。
答:方案飞行是导弹按照某种固定的飞行程序飞行,用来攻击静止的或运动缓慢的目标,或将导弹及其他飞行器送到预定点。
飞行方案是设计弹道时所设定的某些运动参数随时间变化的规律。
哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第2课-近地空间环境
空间飞行器动力学与控制 第二课 近地空间环境
(2)按大气成分的均匀性质划分
均质层 从地面至约90km高度的大气层,基本上包含对 流层、平流层和中间层。均质层大气通过湍流使大 气成分均匀混合,大气成分基本均一,平均摩尔质 量为常数。均质层遵从流体静压方程和理想气体状 态方程。 非均质层 均质层顶之上,大气成分随高度有明显变化的大 气层,基本上包含热层和外层大气。非均质层大气 的平均摩尔质量随高度而降低。
空间飞行器动力学与控制 第二课 近地空间环境
太阳是决定地球高层大气性质的最主要的因素。 太阳的电磁辐射进入大气以后,其中的紫外、远紫 外辐射和波长更短的X射线立即被大气吸收,来自外 空的高能带电粒子也在这里被大气吸收,吸收的能 1000 ~ 2000C 的高温。 量加热大气,使其达到
空间飞行器动力学与控制 第二课 近地空间环境
空间飞行器动力学与控制 第二课 近地空间环境
在1989年9月29日的特大太阳质子事件期间, 地球同步卫星GOES 5,6,7号的太阳能电池电流急 剧下降0.1A;而在1989年10月19日的质子事件中 GOES 5,6,7号卫星的太阳电池功率损失更多,为 1989年9月事件的6倍。1991年3月22日的质子事 件使日本1990年8月发射的电视卫星B35A损失掉 所有的太阳能电池功率,而使卫星遭破坏。
空间飞行器动力学与控制 第二课 近地空间环境
高层大气环境是受太阳活动控制的,当太阳活 动剧烈时,高层大气的温度和密度也随之发生剧烈 变化。大气密度的变化直接影响航天器的运行轨道、 姿态和寿命。以圆形轨道为例,一个轨道高度为 300km的卫星,如果质量面积比为100kg/m2 ,在太 阳活动较高时(如太阳黑子数为200),其寿命约为 10天。而在太阳活动较低时(如太阳黑子数为6),该 卫星的运行寿命约为50天,是前者的5倍。
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。
空间飞行器动力学与控制 第九课_航天飞机技术
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
飞行器结构动力学
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) (1-8) n1
z Ae j(ωt) Ae jt
第1章 概 论
(1-4)
1.5 振动的表示方法
用复振动表示简谐过程,使许多振动问题的分析或运 算得到简化,如用复振动表示的简谐振动的位移 、速
度 v(t)及加速度 a(t)之间的关系为
x(t) X e jωt
(1-5)
v(t)
dx dt
jωXe jωt
第1章 概 论
1.1 飞行器结构动力学的目的与任务
其他问题 飞行器结构与其他系 统的动力学耦合问题( 如飞行器结构与推进系 统耦合产生的 POGO 问题);保证飞行器乘 员舒适性的问题;液体 燃料火箭的燃油晃动问 题等。
第1章 概 论
1.1 飞行器结构动力学的目的与任务
分为以下四方面的基本课题:
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.
第1章 概 论
1.4 振动的类型
b.
第1章 概 论
1.4 振动的类型
c.
第1章 概 论
第1章 概 论
1.1 飞行器结构动力学的目的与任务
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。
飞行器控制导论第二章飞行力学基础1
第二章飞行力学基础2.1 飞行器空间运动的表示、飞行器操纵机构、稳定性和操纵性的概念2.1.1常用坐标系1)地面坐标系(地轴系)(Earth-surface reference frame)Sg-og xgygzg原点og 取自地面上某一点(例如飞机起飞点)。
ogxg轴处于地平面内并指向某方向(如指向飞行航线);og yg轴也在地平面内并指向右方;ogzg轴垂直地面指向地心。
坐标按右手定则规定,拇指代表og xg轴,食指代表ogyg轴,中指代表o g zg轴,如图2-1所示。
2)机体坐标系(体轴系)(Aircraft-body coordinate frame)Sb-oxyz 原点o取在飞机质心处,坐标与飞机固连。
Ox与飞机机身的设计轴线平行,且处于飞机对称平面内;oy轴垂直于飞机对称平面指向右方;oz轴在飞机对称平面内;且垂直于ox轴指向下方(参看图2.1-1)。
发动机推力一般按机体坐标系给出。
3)速度坐标系(Wind coordinate frame)Sa-oxa y aza速度坐标系也称气流坐标系。
原点取在飞机质心处,oxa轴与飞行速度V的方向一致。
一般情况下,V不一定在飞机对称平面内。
oza 轴在飞机对称面内垂x图2.1-1 机体坐标系与地面坐标系直于ox a 轴指向机腹。
oy a 轴垂直于x a oz a 轴平面指向右方,如图2.1-2所示。
作用在飞机上的气动力一般按速度坐标系给出。
4)航迹坐标系(Path coordinate frame)Sk-ox k y k z k原点取在飞机质心处,ox k 轴与飞机速度V 的方向一致。
oz k 轴在包含ox k 轴的铅垂面内,向下为正;oy k 轴垂直于x k oz k 轴平面指向右方。
研究飞行器的飞行轨迹时,采用航迹坐标系可使运动方程形式较简单。
2.1.2 飞机的运动参数 1)飞机的姿态角 1.俯仰角θ(Pitch angle)机体轴ox 与地平面间的夹角。
飞行动力学与控制大作业
飞行动力学与控制大作业报告院(系)航空科学与工程学院专业名称飞行器设计学号学生姓名目录一.飞机本体动态特性计算分析.............. 错误!未定义书签。
飞机本体模型数据...................... 错误!未定义书签。
模态分析.............................. 错误!未定义书签。
传递函数.............................. 错误!未定义书签。
升降舵阶跃输入响应.................... 错误!未定义书签。
频率特性分析.......................... 错误!未定义书签。
短周期飞行品质分析.................... 错误!未定义书签。
二.改善飞行品质的控制器设计.............. 错误!未定义书签。
SAS控制率设计........................ 错误!未定义书签。
控制器参数选择........................ 错误!未定义书签。
数值仿真验证.......................... 错误!未定义书签。
CAS控制率设计........................ 错误!未定义书签。
三.基于现代控制理论的飞行控制设计方法.... 错误!未定义书签。
特征结构配置问题描述.................. 错误!未定义书签。
特征结构的可配置性.................... 错误!未定义书签。
系统模型.............................. 错误!未定义书签。
系统的特征结构配置设计................ 错误!未定义书签。
设计过程.............................. 错误!未定义书签。
具体的设计数据........................ 错误!未定义书签。
结果与分析............................ 错误!未定义书签。
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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。