第六章航天器轨道摄动

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航空航天概论思考题

航空航天概论思考题

第一章 思考题1.什么是航空?什么是航天?航空与航天有何联系?2.飞行器是如何分类的?3.航空器是怎样分类的?各类航空器又如何细分?4.航天器是怎样分类的?各类航天器又如何细分?5.火箭和导弹有哪些相同和不同之处?6.要使飞机能够成功飞行,必须解决什么问题?7.战斗机是如何分代的?各代战斗机的典型技术特征是什么?8.直升机主要以什么技术标准进行分代?9.载人航天的工具或方式有哪几种?它们之间有什么区别?10.巡航导弹和弹道导弹有什么不同?11.航空航天在国防和国民经济中占有什么样的地位?发挥什么样的作用?12.新中国成立以来,我国的航空工业取得了哪些重大成就?13.什么是“两弹一星”?14.我国的运载火箭共有几个系列?多少个型号?各自有什么用途?15.熟悉航空器、航天器、火箭和导弹发展史上的第一次和重大历史事件发生的时间和地点。

16.通过阅读教材中的航天航天技术现状和未来的发展趋势,谈谈你对未来我国航空航天技术发展途径的看法。

第二章 思考题1.大气分几层?各层有什么特点?2.什么是国际标准大气?3.大气的状态参数有哪些?4.什么是大气的粘性?5.何谓声速和马赫数?6.什么是飞机相对运动原理?7.什么是流体的连续性定理和伯努利方程?它们所代表的物理意义是什么?8.低俗气流和超声速气流的流动特点有何不同?9.拉瓦尔喷管中的气流流动特点是什么?10.平板上的空气动力是怎样产生的?11.什么是翼型?什么是迎角?12.升力是怎样产生的?它和迎角有何关系?13.影响升力的因素有哪些?14.简述飞机增升装置的种类和增升原理。

15.飞机在飞行过程中会产生哪些阻力?试说明低速飞机各种阻力的影响因素及减阻措施。

16.为了保证风洞试验结果尽可能与飞行实际情况相符,必须保证飞机和模型之间的哪几个相似?17.什么是雷诺数?18.风洞试验有何作用?19.什么是激波?超声速气流流过正激波时,流动参数有哪些变化?20.什么是正激波和斜激波?二者在流动上有何区别?21.什么是临界马赫数?22.什么是局部激波?23.飞机的动态布局式有哪些?24.机翼的几何参数有哪些?25.试简述超声速飞机的外形特点?如何减小超声速飞机的激波阻力?26.试简述后掠机翼、三角形机翼、小展弦比机翼、变后掠机翼、边条机翼、“鸭”式布局和无尾式布局等飞机各有什么特点?27.低速飞机和超声速飞机在外型上有何区别?28.什么是超声速飞机的声爆和热障?如何消除热障?29.飞机的飞行性能包括哪些指标?30.什么是最小平飞速度?什么是最大平飞速度?什么是巡航速度?31.什么是静升限?32.衡量飞机起飞着陆性能的指标有哪些?如何提高飞机的起飞着陆性能?33.什么是飞机的机动性?什么是飞机的过载?34.什么是飞机的稳定性?飞机包括哪几个方向上的稳定性?35.影响飞机纵向稳定性的因素有哪些?影响飞机横向稳定性的因素有哪些?影响飞机方向稳定性的因素有哪些?36.什么是飞机的操纵性?驾驶员是如何操纵飞机的俯仰、偏航和滚转运动的?37.直升机有何特点?38.试说明直升机旋翼的工作原理。

航天器飞行力学试卷及答案

航天器飞行力学试卷及答案

航天器飞行力学试卷及答案一、名词解释(20分)1、平太阳2、过载3、二体轨道4、轨道摄动5、星下点6、太阳同步轨道7、逆行轨道8、轨道机动9、弹道再入10、配平攻角二、简述(20分)1、直接反作用原理2、刚化原理3、瞬时平衡假设4、开普勒三大定律三、简答题(40分)1、变质量系统在运动时受哪些力和力矩作用?写出各自的计算公式。

2、火箭姿态控制系统的功能、组成?并画出控制系统原理框图、写出控制方程。

3、研究自由飞行段的运动时,常作哪些基本假设?自由飞行段的运动有哪些基本特征?4、轨道要素有哪些,其意义和作用是什么?5、卫星轨道的摄动因素有那些?6、Hohmann轨道机动的特征速度的确定方法?7、说明运用状态转移矩阵的双脉冲轨道机动的过程?并写出特征速度的求解方法。

8、再入段的运动有什么特点?四、推导题(20分)1、推导变质量质点基本方程(密歇尔斯基方程)2、推导近距离相对运动C-W方程参考答案一、名词解释(20分,每题2分)1、平太阳:设想一个假太阳,它和真太阳一样以相同的周期和运行方向绕地球作相对运动。

但有两点不同:(1)它的运动平面是赤道面而不是黄道面;(2)它的运行速度是真太阳的平均速度。

这个假太阳就是平太阳。

2、过载:把火箭飞行中除重力以外作用在火箭上的所有其他外力称作过载。

3、二体轨道:在卫星轨道的分析问题中,常假定卫星在地球中心引力场中运动,忽略其他各种摄动力的因素(如地球形状非球形、密度分布不均匀引起的摄动力和太阳、月球的引力等)。

这种卫星轨道称为二体轨道。

4、轨道摄动:航天器的实际运动相对于理想轨道(即Kepler 轨道)运动的偏差称为轨道摄动。

5、星下点:就是卫星位置矢量与地球表面的交点。

6、太阳同步轨道:如选择轨道半长轴和倾角使得,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,此特定设计的轨道称为太阳同步轨道。

0.9856/d ΔΩ=D 7、逆行轨道:如轨道倾角,则90i >D 0Ω> ,为东进轨道,又称为逆行轨道。

航天器轨道动力学与控制(上)

航天器轨道动力学与控制(上)

常见卫星观测设备误差
多普勒测速仪
单脉冲雷达
干涉仪测角系统
目视光学望远镜和 光学摄像机
卫星观测预报
1. 卫星必须在地平线上 2. 天空就必须足够黑 3.对于不发光的卫星用光学设备 观测还需要太阳光能直射它。
3 工作映射
开普勒激光测速仪
MSE-FLD60型高速激光测距传感器在不使用 反射板的情况下,高速测量自然物体目标可 达30米。而使用合适的反射板,测量范围可 以达到250米。 MSE-FLD60是一款高速激光测距传感器,可以 高速触发实时测量,它的测量速率可达 30kHz。在250米的测量范围内可以达到厘米 级的精度。它所使用的激光是波长为905nm 的对人眼安全的红外激光。
脉冲雷达
干涉仪测角系统
PI-3D激光测量系统是市场上最先进的激光干 涉仪系统。它可以以前所未有的精度和分辨 率,可以用在产品研发实验室, 精确的机床补偿可以从根本上提升产品质量 。使用我们的系统,用户可以快捷精确地完 成补偿。基本套装可以测量位移,振动,速 度以及定位精度。3D系统为机床的垂直及水 平直线度测量提供了独特的测量功能,使直 线度测量变得简便省时。
航天轨道动力学与控制能干嘛?
航天器轨道动力学可构筑各种实用轨道 变轨控制和轨道机动 航天器轨道控制可 轨道保持 交会与对接 再入和着陆控制
2 课本知识
近地空间环境
地球大气
地球磁场
太阳电磁辐射

日心坐标系
地心坐标系
地面坐标系
轨道摄动
摄动指一个天体绕另一个天体按二 体问题的规律运动时,因受其它天体的 吸引或其他因素的影响,在轨道上产生 的偏差,这些作用与中心体的引力相比 是很小的,因此称为摄动。 天体在摄动作用下,其坐标、速度 或轨道要素都产生变化,这种变化成分 称为摄动项。

(人教版)高中物理必修二:第六章 6.5 宇宙航行

(人教版)高中物理必修二:第六章 6.5 宇宙航行

人教版高中物理必修二:第六章 6.5 宇宙航行(含解析)一、单选题1.图示是某一卫星运行的轨道示意图,卫星先沿椭圆轨道1运行,近地点为M,远地点为N。

当卫星经过N 时点火加速,使卫星由椭圆轨道1转移到圆轨道2上运行。

关于卫星的运行过程,下列说法中正确的是()A.卫星在轨道1和轨道2上运动时的机械能相等B.卫星在轨道1上运行经过N点的加速度大于在轨道2上运行经过N点的加速度C.卫星在轨道1上运行经过N点的加速度小于在轨道2上运行经过N点的加速度D.卫星在轨道1上运行经过N点的速度小于经过M点的速度【答案】D2.以下说法中正确的是()A.利用洗衣机能把衣服甩干,是因为衣服中的水受到离心力而做离心运动B.开普勒总结出了行星运行的规律,发现万有引力定律C.所有绕地球做匀速圆周运动的卫星的圆心一定和地心重合D.绕地球做圆周运动周期是24h的卫星一定是同步卫星【答案】C3.2018年12月12日,“嫦娥四号”探测器经过约110h奔月飞行,到达月球附近,成功实施近月制动,顺利完成太空刹车”,被月球捕获,进入了近月点100千米,远月点400千米的环月椭园轨道。

关于“嫦娥四号”在此环月轨道上运行时的说法正确的是()A.线速度不变B.角速度不变C.向心加速变不变D.运行周期不变【答案】D。

4.已知地球的第一宇宙速度为7.9km/s,第二宇宙速度为11.2km/s,下列叙述不正确的是( ) A.第一宇宙速度是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度B.第一宇宙速度是成为地球卫星的最小发射速度C.所有地球卫星环绕地球的运行速度介于7.9km/s和11.2km/s之间D.宇宙速度是相对于地心,而不是相对地面【答案】C5.2018年12月8日2时23分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号探测器,开启了月球探测的新旅程。

嫦娥四号探测器经过地月转移、近月制动等一系列过程于2018年12月30日8时55分,顺利进入近月点高度约15km、远月点高度约100km的环月椭圆轨道。

人教版物理必修二课件《第六章万有引力与航天》第1节行星的运动

人教版物理必修二课件《第六章万有引力与航天》第1节行星的运动

2.开普勒三定律的理解。
3.开普勒第三定律中k值的大小只与中心天体的质量有 关。
一、“地心说”和认识有哪几种学说?各
个学说的内容是怎样的?代表人物是谁?
2. 哪种学说更先进?用现在的观点,如何认识这两种学 说? 3. 是哪位科学家否定了古人认为天体的运动必然是最完 美、最和谐的匀速圆周运动并发现了怎样的规律呢?
阳做圆周运动的角速度(或线速度大小)不变,即
行星做匀速圆周运动。
( 3 )开普勒第三定律 : 所有行星轨道半径的三
次方跟它公转周期的二次方的比值都相等。
二、开普勒行星运动定律
提出问题
5.开普勒第三定律中的k如何理解?它由什么因素
决定的?
结论:比值k是一个与行星无关的常量,只跟行星所围绕 的天体有关,即由中心天体决定 ,因此对于绕同一天体运 行的行星此比值是相同的。
的卫星轨道半长轴的三次方跟公转周期二次方的比值都相 等。
典型 例题
巩固练习
1.16 世纪,哥白尼根据天文观测的大量资料,经过多年的天文观测 和潜心研究,提出 “日心说 ”的如下四个基本论点,这四个论点就目 前来看存在缺陷的是(ABC) A.宇宙的中心是太阳,所有行星都在绕太阳做匀速圆周运动 B. 地球是绕太阳做匀速圆周运动的行星,月球是绕地球做匀速圆周 运动的卫星,它绕地球运转的同时还跟地球一起绕太阳运动 C. 天穹不转动,因为地球每天自西向东自转一周,造成天体每天东 升西落的现象 D. 与日地距离相比,其他恒星离地球都十分遥远,比日地间的距离 大得多
第1节
行星的运动
学习目标:
1.了解人类对行星运动规律的认识历程。
2.知道开普勒行星运动定律,及开普勒第三定律中k值的大小只与中
心天体有关。 3. 体会科学家们实事求是、坚持真理和勇于探索的科学态度和献身

人教版高一物理必修二第六章6.5 宇宙航行专题 卫星变轨(共19张PPT)[最新推荐课件]

人教版高一物理必修二第六章6.5 宇宙航行专题 卫星变轨(共19张PPT)[最新推荐课件]

T
2 4 3600
3) 、同步卫星的特点:只在赤道上空,周期T、高度h、
线速度v大小一定。T=24h , h=36000km ,v=3.1km/s
2.极地卫星和近地卫星
• (1)极地卫星运行时每圈都经过南北两极,由于地球自 转,极地卫星可以实现全球覆盖.
• (2)近地卫星是在地球表面附近环绕地球做匀速圆周运 动的卫星,
• 其运行的轨道半径可近似认为等于地球的半径,其运行 线速度约为7.9 km/s.有最短的运行周期大约是85min
• 3 .月球 • (1)轨道半径大约是38万公里(60倍地球半径),周期
约为一个月(30天) • 任何地球卫星的轨道平面一定通过地球的球心.
【方法概括】凡是人造卫星的问题都可从下列关系
点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点,2、
3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时,
以下说法正确的是( ) BD
• A、在轨道3上的速率大
3 2
于1上的速率 • B、在轨道3上的角速度
1

Q
小于1上的角速度
• C、在轨道2上经过Q点时
的速率等于在轨道3上经过Q点时的速率
• D、在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2上
在A点万有引力相同 A点速度—内小外大(在A点看轨迹)
卫星变轨原理
R V2
卫星在圆轨 道运行速度
V1
1
2
F引
θ>900
v 减小
1、卫星在椭圆轨道运行
近地点---速度大,动能大 远地点---速度小,动能小
思考:人造卫星在低轨道上运行,要想让 其在高轨道上运行,应采取什么措施?
· v1
v2

航天器动力学基本轨道演示文稿

航天器动力学基本轨道演示文稿
E, h,e, 。
但在航天领域,一般习惯用另外的六个独立 参数来描述轨道的状况。
1、问题的提出
如果用航天器的初始位置和速度 (x0, y0, z0, x0, y0, z0 ) 来描述航天器的运动,则在任一时刻,需要求解 微分方程才能确定航天器的位置,不方便。
另一方面,我们已知航天器在某一个平面内的运动 轨迹为圆锥曲线,如果已知: (1)轨道平面在空间惯性坐标系中的方位; (2)圆锥曲线的方向(长半轴方向); (3)在某一时刻航天器在轨道的某一个点上, 则可以通过求解代数方程确定任一时刻航天器的位 置。
关于e的大小,你有何直觉? 椭圆轨道: E 0 e[0, 1)
e的物理意义
e 1 (v h r )
r
两边叉乘r
e r 1 (v h) r
v
S
r
E
e
可以看出,在一般情况下,er 0
但如果r与v垂直,则 er 0
所以,e平行于椭圆长轴方向,再根据其大小,e 指向近地点。
思考
我们已找到了5个积分常数E, h, e。 问题是:当我们求出常数E,h,并为其中所 使用的技巧而得意时,拉普拉斯利用更复杂的技巧 又找到了一个积分常数e…… 那么我们是否求出了微分方程全部的积分常数? 难到这些微分方程的积分常数会没完没了吗?
积分后为 v2 E
2r
v v
r
3
r r
vv
r
2
r
r
r
r
r
动能 势能
物理意义:航天器单位质量的机械能守恒。
不同轨道的能量积分E
v2 E
2r
v2
2
E
r
(1)如果E>0,r可以为任何正值;
(2)如果E<0,r必须满足

第六章卫星轨道的调整与转移

第六章卫星轨道的调整与转移

第九章卫星轨道的调整与转移9.1 概述9.1.1 航天器的轨道机动航天器在中心引力场中的运动,即Kepler轨道运动及在非理想条件下航天器的摄动运动,都属于被动运动,即在初始条件给定后完全由环境条件决定的运动。

但是现代航天器的运动并不是完全被动的。

有时航天器要利用火箭发动机推力或者有意利用环境提供的力(例如空气动力、太阳光压力)主动地改变飞行轨道,这就是航天器的主动运动,称为轨道机动(orbit maneuver)。

航天器的轨道机动可以人为地分成以下三个类型(但这些并没有绝对的界限,而且没有实质的差别):(1)轨道保持或轨道调整(orbit keeping or orbit correction)。

这是为了克服轨道要素的偏差而进行的小冲量的调整。

可以利用轨道摄动方程进行分析。

(2)轨道改变或轨道转移(orbit change or orbit transfer):这是指大幅度改变轨道要素,例如从低轨道转移到高轨道,从椭圆轨道转移到圆轨道,改变轨道平面。

这种转移的特点是需要大冲量的火箭发动机。

(3)空间交会(space rendezvous):即主动航天器通过一系列的机动动作达到与被动航天器会合。

这里主要控制航天器的相对运动。

按照持续时间,航天器轨道机动可以分为:(1)脉冲式机动:发动机在非常短暂的时间内产生推力,使航天器获得脉冲速度。

分析时可以认为速度变化是在一瞬间完全成的,当然这是对实际问题的抽象化。

(2)连续式机动:在持续的一段时间内依靠小的作用力改变轨道。

例如利用电离子火箭发动机、利用空气动力、太阳光压力等进行的机动。

9.1.2 轨道机动所需的推进剂消耗为了实现任何一种轨道机动,都必须使航天器获得附加的速度矢量。

排除利用235空气动力和太阳压力等特殊方式外,为此必须开动某种形式的火箭发动机。

对于仅在火箭发动机推力作用下的飞行器,运动方程为dvmP dt= (dmP w dt =−式中 为飞行器质量,m /dm dt −为推进剂消耗率,w 为燃烧产物的有效排出速度。

航天器轨道动力学与控制上-马佳

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

物理人教版必修2:第六章 万有引力与航天1.行星的运动(同步精美课件)

物理人教版必修2:第六章 万有引力与航天1.行星的运动(同步精美课件)

4.已知两个行星的质量 m1=2m2,公转周期 T1=2T2,则 它们绕太阳运转轨道的半长轴之比为 a1 1 a1 2 A.a =2 B.a =1 2 2 a1 3 a1 1 C.a = 4 D.a = 2 2 3 4 ( C )
a3 解析 由开普勒第三定律T2=k,分析得 C 项正确.
5.某一人造卫星绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径为 月球绕地球轨道半径的 1/3,则此卫星运行的周期大 约是 A.1~4 天之间 C.8~16 天之间
解析 由开普勒第二定律知,A 错误,B 正确;加速度由 GMm 万有引力提供,根据 r2 =ma 知,C 正确;由开普勒第 a3 三定律知,T2=k,而 k 与月球的质量无关,故 D 错误.
针对练习 2 是
关于太阳系中各行星的运动, 下列说法正确 ( ACD )
A.所有行星绕太阳运行的轨道都是椭圆 B.所有行星绕太阳运行的轨道都是圆 C.不同行星绕太阳运行的轨道不同 D.不同行星绕太阳运动一周的时间不同
线速度 )不变,即行星做 匀速圆周 运动.
(3)所有行星轨道半径的三次方跟它的公转周期的二次方 的比值都相等.
探究归纳
一、关于两种学说的理解 典例 1 16 世纪,哥白尼根据天文观测的大量资料,经过 40 多年 的天文观测和潜心研究,提出“日心说”的如下四个基本论 点,这四个论点就目前看存在缺陷的是 ( )
解析 设太阳质量为 m1,地球运行的轨道半径为 R1,地 球公转速率为 v1,恒星质量为 m2,行星绕恒星运行的轨 道半径为 R2,行星运行速率为 v2,则由万有引力提供向 v2 GMm 4π2R 心公式 R2 =m R =m T2 得: m2 R2 3T1 2 25 m1=R1 3T2 2=36 v2 m2R1 1 = = v1 m1R2 12

第六章 卫星轨道摄动理论

第六章 卫星轨道摄动理论
根据上式可以导出卫星运动的速度和加速度:
r& =
dr dt ur
+ r dur dt
= r&ur
+ r(α& cosϕuα
+ ϕ&uϕ )
&r& = (&r&− rα& 2 cos2 ϕ − rϕ&2 )ur + (rα&& cosϕ + 2rα& cosϕ − 2rα&ϕ& sinϕ)uα
+(rϕ&& + 2r&ϕ& + rα& 2 sinϕ cosϕ)uϕ
的变化率又可写成
145
dh dt
=
dh dt
un
+
h
dun dt
(6.12)
前一项是动量矩幅值的变化,后一项是动量矩方向的变化,沿 ut 的负方向,比较式
(6.11)与式(6.12)可得
dh dt
=
rFt
dθ dt
=

r h
Fn
(6.13)
式中θ 表示动量矩 h 转过的角度。根据式(5.11),瞬时椭圆轨道的偏心率 e 为
⎡ a2 (1− e2 )
⎢ ⎣
r
⎤ − r ⎥ Ft

(6.14)
动量矩直接决定了轨道节线的方向,动量矩在赤道平面上的投影 h p 绕 OZ 轴的转 动与轨道的节点在赤道面上的运动是等同的,如图 6.3 所示。令 dh 表示动量矩的 增量, (dh) p 表示此增量在赤道面上的投影,此投影 h p 垂直方向上的分量等于
sin i0 sin(ω0 + f0 ) = sin i1 sin(ω1 + f1)

航天器轨道动力学与控制(上)--李建辉

航天器轨道动力学与控制(上)--李建辉

2、2特殊轨道和星座
轨道名称 定义 卫星选择
太阳同步轨道(近 进动角速度与平太阳在赤 资源卫星、气象卫星、军 用卫星等 极地太阳同步轨道) 道移动的角速度相等。 回归轨道 地面轨迹经过一定时间出 用于某一地区动态观察, 现重复的轨道。 可结合其他轨道如太阳同 步 相对地面观测禁止不动, 通信、广播、气象 距离地心42164km,覆盖 地球表面40%
航天器轨道动力学与控制 (上)
汇报人:李建辉
2018年9月22日


part one
理论基础 特殊轨道与卫星星座 卫星轨道确定 轨道转移 地月飞行和星际航行 工作映射
part two
part three part four part five Part six
1、1太阳系
开普勒定律三定律:1.行星沿椭圆轨道运动,而太阳则位于椭圆轨道的二个 焦点之一。2.在相同时间内,半径向量所扫过的面积是相等的。3.二个行星绕 太阳运动的轨道的周期时间平方之比等于二个轨道与太阳的平均距离的立方 之比。
最小二乘法: 批量计算法,适合观 测数据集中处理。
广义卡尔曼滤波法: 序贯计算法,按时间 顺序对每个数据结算, 改进,可时刻中断。
3.5卫星观测
卫星观测预报是解决跟踪站如何能看到卫星的问题,根据感 测设备不同有下面三个含义: 1、高度:卫星必须在地平线至上 2、天光:光学或人眼观看,天空背景须特别黑, 3、地影:对于不发光卫星用光学设备观测还需要太阳光能 直接照射它
三个步骤
计算方法
三个理论
3.2数据的预处理和精度分析
数据处理的任务是消除观测数据中由于测量设备和环境 引起的一部分已知误差(利用已知误差模型),并消除大部 分随机误差(利用平滑方法)。从而在轨道确定和改进中选 取合适的间隔点,减少计算量。

轨道摄动

轨道摄动
球形卫星:2.2 圆柱形卫星:3.0 其它形状:2.2~3.0
在轨道确定中作为待估参数,获得精确值
30
15
4/2/2013
大气密度
大气密度变化特性
① 大气密度随高度增加而减小 ② 大气密度分布受太阳辐射影响极其严重 ③ 大气密度存在周日变化效应,在正午后2小 时达到最大,在午夜至黎明期间最小 ④ 根据King-Hele,600km轨道高度,白天大 气密度最大值是夜间的8倍 ⑤ 由于紫外线辐射作用,大气密度变化周期为 27天
2 E J 2 aE
2r 3
3sin
2
1
忽略短周期的摄动影响,主要考虑长期项
均为0 , e , i a 2 3 J 2 aE n cos i 2 2p 3J a 2 5 2 2 2E n 2 sin i 2p 2 2 3 J a 2 2 E n 1 e 1 3 sin 2 i M 2 p2 2
41
第三体引力摄动—日月摄动
ì ï r = rm - rM ï ï ï í = rM ' - rM ï ï ï ï îd = rm - rM ' ì Gm GM ' ï ï rM = 3 r + 3 ï ï r ï í ï æ GM GM ' ÷ ö ï rm = -ç r + 3 d÷ ï ç 3 ÷ ï ç è ø r d ï î æd ö M +m ÷ ç ÷- G r =r r GM r ' = + ç m M 3 3÷ ç ÷ ç ø r3 èd
第一颗民用立体测绘卫星 2012.01.09 资源三号,太阳同步轨道

最新人教版高中物理必修2第六章《宇宙航行》规律总结

最新人教版高中物理必修2第六章《宇宙航行》规律总结

●规律总结有关人造卫星的知识,根本问题就是抓住万有引力提供人造地球卫星做圆周运动的向心力这一基本力学关系,由此出发导出描述卫星做圆周运动的各物理量的关系式,应用时可根据实际情况选用适当的公式进行分析和计算:①F 万有=2r GMm =ma =r m v 2=mr ω2=mv ω=mr 22π4T②在地球表面,mg ≈2RGMm 1.对宇宙速度的理解①第一宇宙速度:人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径近似等于地球半径R ,其向心力为地球对卫星的万有引力,其向心加速度近似等于地面处的重力加速度.设地球质量为M ,根据万有引力定律和匀速圆周运动的规律可得: 2R GMm =R m v 2得v =R GM =624111037.61089.51067.6⨯⨯⨯⨯-m/s=7.9 km/s 或者由mg =R m v 2得v =gR =61037.68.9⨯⨯m/s=7.9 km/s.对于公式v =rGM ,指的是人造卫星在各自轨道上做匀速圆周运动的运行速度,其大小随轨道半径的增大而减小,但由于人造卫星发射过程中要克服地球引力做功,增大势能,所以将卫星发射到离地球越远的轨道上在地面上所需要的发射速度就越大.根据v 运行=r GM ,第一宇宙速度v 1=RGM 可知:由于r ≥R 地球,所以卫星的运行速度不可能大于第一宇宙速度,人造卫星的发射速度与运行速度的大小关系是:v 发射≥7.9 km/s ≥v 运行所以第一宇宙速度是最小发射速度,又是卫星最大环绕速度.②第二宇宙速度:在地面上(r =R )发射物体,使之能够脱离地球的引力作用,成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度,称为第二宇宙速度,其大小为v 2=11.2 km/s.当11.2 km/s >v 2>7.9 km/s 时,卫星绕地球旋转,其轨道是椭圆,地球位于一个焦点上.③第三宇宙速度:在地面上发射物体,使之最后能脱离太阳的引力范围,飞到太阳系以外的宇宙空间所必须的最小速度称为第三宇宙速度,其大小为v 3=16.7 km/s.当16.7 km/s >v ≥11.2 km/s 时,卫星脱离地球的束缚成为太阳系的一颗“小行星”.2.对卫星运动轨道的理解①卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆形轨道,卫星绕地球沿圆形轨道运动时,由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以,地心必然是卫星圆轨道的圆心,卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星),也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道平面成任一角度.卫星绕地球沿椭圆轨道运行时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律,这类问题在中学物理中很少讨论.②不同星体上的宇宙速度是各不相同的,以上给出的速度值是地球上的宇宙速度值,其计算方法完全可以推广到其他任何天体.天体的质量越大,半径越小,其宇宙速度值就越大.3.对同步卫星的理解同步卫星指在赤道平面内,以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运动的卫星.同步卫星又叫静止轨道卫星,有以下几个特点:①周期一定:同步卫星在赤道上空相对地球静止,它绕地球的运动与地球自转同步,它的运动周期就等于地球自转的周期,即T =24 h.②角速度一定:同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度,且卫星转动的方向与地球自转方向相同.③轨道一定:a.由于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步,这就决定了同步卫星的轨道平面应与赤道平面平行.又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力,这就决定了同步卫星做圆周运动的圆心为地心,所以,同步卫星的轨道必在赤道平面内.b.由于所有同步卫星的周期都相同,由r =322π4GMT 可知,所有同步卫星的轨道半径相同,即同步卫星都在同一轨道上绕地球做匀速圆周运动,其轨道离地面的高度h =3222π4R gT -R =3.59×104 km.(地球半径R =6400 km,自转周期T =24 h=86400 s,地球表面重力加速度g =9.8 m/s 2)④环绕速度大小一定:所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的,都是 3.08 km/s,因为所有卫星的环绕速度等各物理量都是由轨道决定的.⑤向心加速度大小一定:所有同步卫星由于到地心距离相同,所以它们绕地球运动的向心加速度大小都相同,约为0.23 m/s 2.归根到底,同步卫星的以上特点,是由于同步卫星与地球相对静止这一特殊要求决定的.4.对人造卫星上的“超重”和“失重”问题的理解“超重”:卫星在进入轨道前的加速过程中或回收过程中,系统具有向上的加速度,卫星上的物体“超重”,这种情况与“升降机”中的物体超重相同.“失重”:卫星在进入轨道后,在正常运行过程中,系统具有向下的加速度且等于重力加速度g 轨,卫星上物体完全“失重”,因此在卫星上的仪器,凡是制造原理和重力有关的都不能正常使用.比如水银气压计、天平等,同理与重力有关的实验也将无法进行.但要注意,物体处于完全失重状态时,仍受重力作用,不能说物体不受重力.。

航天技术导论 第六章

航天技术导论 第六章

第六章发射与返回技术6.1运载火箭的发射技术6.1.1 运载火箭的发射过程运载火箭由相对于发射平台静止的状态起飞、加速到进入正常的导引弹道的过程称之为发射过程,简称发射。

广义的发射过程包括如下步骤:(1)为使火箭达到可发射状态,首先必须在发射场的技术区进行对接、装配和一系列的检查和测试;(2)火箭从技术区转移到发射区,然后将火箭吊装到发射台上,完成垂直度调整和方位瞄准,装定发射诸元并与各种地面设备的电缆、气、液管路等相连接;进行各分系统测试和综合测试;完成推进剂加注、充气等技术准备工作;(3)测控系统准备:对测控站各系统进行检查和测试,然后进行各测控站之间的联试,以保证发射指挥、控制系统正常、可靠地工作;(4)按预定的程序进行发射,火箭离开发射台起飞、加速、起控并进入导引弹道飞行。

若发生故障或因其它情况而取消发射,则应泄出推进剂,对贮箱进行清洗和中和处理,将火箭撤离发射台,运回技术区,重新进行检查测试并排除故障。

显然,为了完成上述发射过程的各项任务,需要建立庞大的地面设施,包括发射设备、运输设备、起吊安装设备、装配对接设备、地面检测设备、发射控制设备、测控设备、地面供电设备、推进剂的贮存和加注设备、废气与废液处理设备、发射场地和工程设施等,统称为发射支持系统。

6.1.2 运载火箭的发射方式最早运载火箭采用水平测试、水平运输、整体垂直起竖的发射方式。

后来,随着运载火箭由小到大的不断发展,发射方式也在不断变化。

目前,世界各国常用的两种发射方式如下:(1)水平测试、水平运输、垂直吊装的发射方式这种发射方式在发射场内明显地分成技术区和发射区。

在技术区对箭上各系统进行测试,然后通过公路运输车分级(或分部段)运往发射区,由发射勤务塔上的吊车将各级(或部段)垂直吊装对接在发射台上,经过必要的测试后加注推进剂,最后发射。

这种方式的优点是操作简便,对发射设备的技术要求容易实现,技术区工作环境好,测试过程完善。

运往发射区时,火箭运输时重心低,不需要大型运输平台和特殊的运输轨道。

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s r s r GM 3 3 s r s
计算其他天体引力摄动,需要知道其他天体相对于地 球的位置矢量s。
s矢量的计算有两种方法:简易方法和精确方法(JPL
星历DE450,包含了1600年到2170年的星历数据)
24
1.2 近地轨道空间摄动力
2、其他天体引力 JPL 星历
25
1.2 近地轨道空间摄动力
3、大气阻力 大气阻力是影响近地轨道卫星的最大非引力摄动力,
是一种耗散力,对卫星轨道的寿命有很大影响,也是
天然的太空清洁师。
大气阻力的精确建模非常困难:
高层大气密度变化复杂,很难精确测量;与卫星的
姿态密切相关,对于外形复杂的卫星迎风面积较难预
测;与卫星的外表面特性密切相关。
es er es er
r GMr 3 es er es er 3 s

r2
GMr er 3 s

r
GMr er 3 s
讨论:估计地面物体受到的月球引力摄动(地球质量 约是月球的81倍)
23
1.2 近地轨道空间摄动力
2、其他天体引力
高层大气模型
Harris-priester 模型
Jacchia 1971 模型
Jacchia 1977 模型
MSIS 86 模型
28
1.2 近地轨道空间摄动力
4、其他摄动力 太阳光压摄动 地球辐射压力摄动
地球潮汐摄动
相对论效应
29
授课内容
1. 近地空间轨道摄动力 2. 轨道摄动理论 3. 具体应用
3
1.1 什么是轨道摄动
轨道摄动是相对于二体问题来说的,二体问题的轨道
称为无摄轨道或正常轨道,考虑其它摄动力影响的轨
道为摄动轨道。 其他力相对地球中心引力而言都是小量,因此统称为 摄动力,这些力作用下的航天器运动称为摄动运动。
4
1.2 近地轨道空间摄动力
1、地球引力势函数
M 地球质量
R
地球参考半径
RECF
x R cos cos R cos sin y z ECF R sin
Pnm
勒让德函数
5
1.2 近地轨道空间摄动力
勒让德函数
勒让德多项式
6
1.2 近地轨道空间摄动力
Cnm
S nm 地球引力系数
10
1.2 近地轨道空间摄动力
地球J2项摄动力
UJ 2 1 R 2 Z 2 1 R 2 J 2 3 (3 2 1) J 2 3 (3sin 2 i sin 2 u 1) 2 r r 2 r
U J 2 x
2
FECF U J 2
U J 2 y
26
1.2 近地轨道空间摄动力
3、大气阻力
1 A 2 r CD vr e r 2 m
CD
阻力系数,无单位量,描述了大气与卫星表面材料 的相互作用情况,一般取2.0~2.3。
vr v ω r

卫星相对于大气的速度矢量 高层大气密度
27
1.2 近地轨道空间摄动力
3、大气阻力
T
12
1.2 近地轨道空间摄动力
讨论题:仅考虑地球中心引力和J2项摄动力时,卫星
的动力学方程是什么? 作业:以x0 = [-5292392.072;-4862.201380;3111662.355;
-4136.781314; 3101114.660;-4147.028008]为人造地球轨
道卫星的初始条件,仅考虑地球中心引力和J2项摄动
M M 0 nt
3f f R (1 e cos f ) f I ] 2 n 1 e 1 e2 e [sin f f R (cos f cos E ) f I ] na r cos u i fC 2 2 na 1 e r sin u fC 2 2 na 1 e sin i 1 e2 r nae [ cos f f R (1 p ) sin f f I ] cos i 1 e2 r r M n [ (cos f 2 e ) f (1 ) sin f f I ] R nae p p
完整的摄动方程
6 r i 1 i 6 v i 1 i
d i 0 dt d i ap dt
拉格朗日和高斯分别根据这组方程 得到一组计算行星摄动的方程。
36
2.3 拉格朗日行星摄动方程
da 2 R dt na M 0 de 1 e 2 R 1 e 2 R 2 2 dt na e M na e 0 di 1 R R cos i 2 2 dt na 1 e sin i d 1 e 2 R cos i R 2 2 2 dt na e e na 1 e sin i i d 1 R 2 2 dt na 1 e sin i i 2 dM 1 e R 2 R 0 2 na e e na a dt
41
2.6 平均轨道根数
太阳和月球的引力引起所有轨道根数周期性变化, 但只有升交点赤经、近地点角距和平近点角有长期 变化
Moon 0.00338cosi / n
0.00154cosi / n Sun
2 Moon 0.00169(4 5sin i ) /n 2 Moon 0.00077(4 5sin i ) /n
n
21
1.2 近地轨道空间摄动力
2、其他天体引力
1 s r
3
s r s r GM s r 3 s3
3 2
2 2 s r 2sr es er
r r s 3 1 2 2 es er s s
n
a
3
42
2.6 平均轨道根数
大气阻力:主要为轨道半长轴与偏心率的长期衰减, 即轨道高度不断降低,偏心率也减小,因而轨道向 圆轨道演化。
8
1.2 近地轨道空间摄动力
地球引力(地心固定坐标系ECF)
ECI ECI RECF r rECF
9
1.2 近地轨道空间摄动力
地球J2项摄动力
GM GM R2 U P20 (sin )C20 2 r r r GM 1 GM R2 2 U J2 (3sin 1) 3 r 2 r UJ 2 1 R 2 Z 2 1 R 2 J 2 3 (3 2 1) J 2 3 (3sin 2 i sin 2 u 1) 2 r r 2 r
0 a e 0 i 0 2 3J 2 RE n cos i 2 p 2 3J 2 RE n 2 5 sin 2 i 2 p 2 2 3J 2 RE 3 2 2 n 1 sin i 1 e M n 2 p 2
FRIC U J 2
U J 2 r
1 U J 2 r u
1 U J 2 r sin u i
T
FRIC
3 R 2 2 2 J2 4 1 3sin i sin u 2 r
2sin
2
i sin u cos u
2sin i cosi cosu
力,计算卫星轨道根数,并于二体结果进行比较。
13
1.2 近地轨道空间摄动力
半长轴a在地球J2项摄动力作用下的运动
14
1.2 近地轨道空间摄动力
偏心率e在地球J2项摄动力作用下的运动
15
1.2 近地轨道空间摄动力
轨道倾角i在地球J2项摄动力作用下的运动
16
1.2 近地轨道空间摄动力
升交点赤经在地球J2项摄动力作用下的运动
2

3 2
s r
1
假设的合理性:地月距离约38万公里, 地日距离约1.5亿公里
3
r s 1 3 e e s r 3 s s r
r
GMr 3 es er es er 3 s
22
1.2 近地轨道空间摄动力
2、其他天体引力
20
1.2 近地轨道空间摄动力
2、其他天体引力
质点M对地球的引力加速度
GM r s s3
综合这两项,得到其他天体对卫星的引力摄动 多个天体
s r s r GM 3 3 s r s s r s i r GM i i 3 3 s s r i 1 i
2
U J 2 z
2
T
FECI
3 R J2 5 2 r
5Z 5Z 5Z 2 1 x 2 1 y 2 3 z r r r
2
T
11
1.2 近地轨道空间摄动力
地球J2项摄动力
UJ 2 1 R 2 Z 2 1 R 2 J 2 3 (3 2 1) J 2 3 (3sin 2 i sin 2 u 1) 2 r r 2 r
38
2.5 轨道摄动相关的轨道根数
39
2.6 平均轨道根数
地球J2项摄动的势函数
UJ 2 1 R 2 Z 2 1 R 2 J 2 3 (3 2 1) J 2 3 (3sin 2 i sin 2 u 1) 2 r r 2 r
地球J2项摄动的平均势函数
Ravg 1 2
第六章 航天器轨道摄动
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