第三十一讲 航天器的轨道机动与轨道保持
第10章航天器姿态与轨道控制分系统(1)
3. 航天器轨道控制系统
3.2 航天器的轨道机动与轨道保持
航天器在控制系统作用下使其轨道发生有 意的改变称为轨道机动。轨道机动方式一 般有两种： 无线电指令控制系统或称遥控系统； 惯性控制系统。 变轨控制分为轨道改变和轨道转移。 轨道保持是对在轨航天器受到外界干扰的 作用下偏离预定轨道的修正。
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1. 航天器控制的基本概念
1.6 姿态控制与轨道控制的关系
航天器是一个比较复杂的控制对象，一般来说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。即当需要对航天器 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。有些应用任务对轨 道没有严格要求，如空间环境探测卫星，则只有姿态控制系统。
3
1. 航天器控制的基本概念
1.2.航天器的控制
航天器在轨道上运动将受到各种力矩的作用。从刚体力学的角度来 说，力使航天器的轨道产生摄动，力矩使航天器姿态产生扰动。 航天器的控制可以分为两大类：轨道控制和姿态控制。 1.对航天器的质心施加外力，以有目的地改变其运动轨迹的技术， 称为轨道控制。 2.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 技术，称为姿态控制。
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1. 航天器控制的基本概念
星上自主控制框图 星—地大回路控制框图
轨道运动
星载控制器
执行机构
星体姿态和轨道动力学
姿态运动
卫星动力学
⊗
给定
敏 感 器
姿态轨道 控制器
敏感器
执 行 机 构
跟踪
遥测
遥控
跟踪
遥测
遥控
数据处理 测定轨道
控制参数 计算
12
2015航天器控制原理（周军主编）教案：航天器的导航与制导
航天器控制原理（ppt课件）：8 8.1 航天器导航的概念与分类8.2 航天器的自主导航系统8.3 航天器的轨道机动与轨道保持8.4 航天器的交会与对接8.5 航天器的再入返回控制8.6 星际飞行的导航与制导第八章航天器的导航与制导航天器导航就是轨道确定。
航天器轨道确定基本上可分为两大类：自主和非自主。
非自主测轨由地面站设备, 例如雷达,对航天器进行跟踪测轨, 并且在地面上进行数据处理, 最后获得轨道位置信息。
相反, 若航天器的位置和速度等运动参数用星上测轨仪器 (或称导航仪器 )来确定, 而该仪器的工作不依赖于位于地球或其他天体的导航和通信设备, 那么轨道确定 (空间导航 )则是自主的。
8.1 航天器导航的概念与分类自主导航存在两种方式：被动或主动。
被动方式意味着与航天器以外的卫星或地面站没有任何合作, 例如空间六分仪；而主动方式意味着与航天器以外的地面站或卫星 (例如数据中继卫星 )有配合, 例如全球定位系统。
另外还存在一个问题需要考虑, 即航天器自主轨道确定与姿态确定是相互关联或者互相独立的。
一般说来由于轨道比姿态变化缓慢的原因, 希望轨道确定和姿态确定互相分开, 特别在精度要求很高的场合。
但是有许多敏感器, 例如空间六分仪, 陆标跟踪器, 惯性测量部件, 太阳和星敏感器等, 既可以作轨道确定系统的敏感器, 同样地也可作姿态确定系统的敏感器。
根据这些敏感器所得到的信息, 设计相应软件, 经过计算机进行数据处理和计算, 就可以得到有关轨道和姿态的数据。
在这种情况下, 姿态和轨道确定是相关联的。
空间自主导航系统按它的工作原理可分为五大类,(1)测量对于天体视线的角度来确定航天器的位置(2)测量地面目标基准来确定航天器的位置和姿态(3)对已知信标测距(4)惯性导航方法(5)组合导航方法猎兔犬 2”号登陆器脱离“火星快车”探测器的效果图基于上节介绍的自主导航原理的实际航天器导航系统有很多种, 本节将首先着重介绍全球定位系统 (GPS)和(天文 )惯性导航两种自主导航系统。
航空航天工程师的航天器轨道控制
航空航天工程师的航天器轨道控制航天工程师的任务之一是设计和控制航天器的轨道。
航天器的轨道控制是确保航天器按计划进行正确运行的关键环节。
本文将介绍航天器轨道控制过程中的关键要素和技术。
一、航天器轨道控制的重要性航天器的轨道控制决定了其在太空中的位置和速度，对于实现任务目标至关重要。
航天器的轨道需要精确计算和控制，以满足以下要求：1. 实现轨道转移：航天器需要从发射轨道转移到最终目标轨道，比如地球轨道到月球轨道。
2. 保持稳定轨道：一旦进入预定轨道，航天器需要保持稳定，以防止因轨道变化而影响太空任务。
3. 躲避碰撞：在拥挤的太空环境中，航天器需要通过轨道控制来避免与其他航天器发生碰撞，确保太空安全。
二、航天器轨道控制的关键要素在实施航天器轨道控制过程中，以下要素是至关重要的：1. 动力系统：航天器需要搭载适当的动力系统，如推进器，以实现轨道控制。
推进器的选择和设计应根据任务需求来确定。
2. 燃料和能源：推进器需要燃料和能源来提供动力。
在规划航天器的轨道控制任务时，需要合理规划燃料和能源的供应，以确保轨道控制的可持续性。
3. 导航系统：航天器轨道控制需要准确的导航系统来获取位置和速度信息，以便进行精确的轨道计算和控制。
4. 系统控制：航天器的轨道控制需要详细的系统控制策略和算法，以确保航天器按计划运行。
这包括姿态控制、推力调整和导航修正等方面。
三、航天器轨道控制的关键技术在航天器轨道控制中，以下技术起着重要作用：1. 轨道计算：通过数学模型和计算方法，准确计算航天器的轨道参数，如高度、速度和倾角等。
2. 推力控制：根据轨道计算结果，调整推进器提供的推力大小和方向，实现航天器轨道的精确控制。
3. 姿态控制：航天器需要保持特定的姿态，以实现所需轨道，这就需要精确的姿态控制系统和技术。
4. 纠偏修正：由于外界因素或误差的影响，航天器可能会偏离预定轨道，这就需要进行纠偏修正，以保证航天器按计划运行。
四、案例分析：国际空间站的轨道控制国际空间站是一个复杂的航天器系统，其轨道控制是航天工程师面临的一个重要挑战。
【PPT课件】航天器的轨道与轨道力学
G
n j 1
mj rj3i
(
ji )
ji
(2.13)
不失一般性，假定m2为一个绕地球运行的航天器，m1为地
球，而余下的 m3, m4,L mn 可以是月球、太阳和其他行 星。于是对i=1的情况，写出方程式(2.13)的具体形式，
得到
&rr& rr 1
G
n j2
mj rj31
(
j1 )
第二运动定律 动量变化速率与作用力成正比，且与作 用力的方向相同。
第三运动定律 对每一个作用，总存在一个大小相等的 反作用。
万有引力定律：
任何两个物体间均有一个相互吸引的力，这个力与
它们的质量乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。
数学上可以用矢量形式把这一定律表示为
r Fg
GMm r2
rr
r
第二章 航天器的轨道与轨道力学
2.1航天器轨道的基本定律 2.2二体轨道力学和运动方程 2.3航天器轨道的几何特性 2.4航天器的轨道描述 2.5航天器的轨道摄动
第二章 航天器的轨道与轨道力学
“1642年圣诞节，在柯斯特沃斯河畔的沃尔索普庄 园，诞生了一个非常瘦小的男孩。如同孩子的母亲后来 告诉他的那样，出生时他小得几乎可以放进一只一夸脱 的杯子里，瘦弱得必须用一个软垫围着脖子来支起他的 头。这个不幸的孩子在教区记事录上登记的名字是 ‘伊 萨克和汉纳·牛顿之子伊萨克 ’。虽然没有什么贤人哲 士盛赞这一天的记录，然而这个孩子却将要改变全世界 的思想和习惯。”
d dt
(mivri
)
r F总
(2.9) (2.10)
把对时间的导数展开，得到
航空航天工程师的航天器轨道控制
航空航天工程师的航天器轨道控制航空航天工程师是航天事业中不可或缺的重要角色，他们致力于设计、开发和维护航天器及相关系统。
在航天器的轨道控制方面，航空航天工程师的专业知识和技能发挥着至关重要的作用。
本文将介绍航天器轨道控制的基本原理和相关技术。
一、航天器轨道控制的基本原理航天器的轨道控制主要包括轨道设计、轨道转移、姿态控制和遥测遥控等方面。
轨道设计是确定航天器在太空中轨道参数的过程，它直接影响着航天器的飞行性能和任务目标的实现。
轨道转移是实现航天器从一个轨道到另一个轨道的过程，其中包括轨道提升、轨道调整和轨道捕获等环节。
姿态控制是指通过控制航天器的姿态，实现航向控制和航天器的稳定性。
遥测遥控则是通过地面站与航天器之间的数据传输，实现对航天器运行状态的监测与控制。
二、航天器轨道控制的技术手段1. 推进系统技术推进系统是航天器轨道控制的核心技术之一，它主要通过推进剂的喷射来实现轨道控制目标。
推进系统可以分为化学推进系统和电推进系统两类。
化学推进系统利用化学反应产生的推力来改变航天器的速度和轨道，具有推力大、工作时间短的特点；电推进系统则是通过电离或电子加速等方式产生推力，具有长工作时间和精密控制的优势。
2. 轨道动力学控制技术航天器轨道动力学控制技术旨在保持航天器在给定轨道上的运行状态。
其中最常用的方法是利用航天器自身的姿态运动和推进系统的工作来调整航天器的轨道。
通过控制航天器的姿态、推力大小和方向等参数，可以实现航天器在轨道上的精确控制。
3. 光学导航技术光学导航技术是一种基于光学设备的轨道控制手段，通过利用星体的光信号进行定位和导航。
通过测量星体的位置和轨道运动信息，可以更精确地确定航天器的位置和速度，实现轨道控制的目标。
4. 遥测遥控技术遥测遥控技术是航天器轨道控制的重要手段之一，它通过地面站与航天器之间的数据交互，实现对航天器运行状态的监测与控制。
地面站通过接收航天器发送的遥测数据，并分析处理这些数据，可以实时监测航天器的位置、姿态、推进系统状态等信息。
航天器控制：航天器轨道机动控制
2016/1/4
5
NASA首席科学家-Robert Farquhar
美国“新视野”号探测器
• 人类第一个飞越和研究冥王星和它的卫星的空间探测器 • 人类第一个抵达柯伊伯带的空间探测器 • 2006.01 在美国卡纳维拉尔角发射，发射速度16.26km/s，
有史以来发射速度最快的探测器； • 2006.06 掠飞小行星132524APL • 2007.01 开始探测木星、木卫十七 • 2015.07 飞跃冥王星 • 2016-2020 探测柯伊伯带
2016/1/4
3
NASA首席科学家-Robert Farquhar
国际日地探测卫星－3 ISEE-3
• “借”NASA卫星探测哈雷彗星 • 人类第一个探测彗星慧尾的探测器 • 人类第一个两次探测两颗不同彗星慧尾的探测器。
2016/1/4
4
NASA首席科学家-Robert Farquhar
美国“发现”计划 • 1996.02 美国发射“近地小行星交会”（NEAR）探测器， • 2001.02 NEAR成功在爱神号(Eros433)小行星表面软着陆。
2016/1/4
6
主要内容
航天器轨道设计 航天器轨道机动 航天器交会对接 行星着陆探测制导
7*
1 航天器轨道设计
1.1 静止轨道设计
• 近地轨道一般为圆形或小偏心率轨道，速高比近似常数，对 可见光资源卫星、侦查卫星拍摄有利；
• 轨道倾角：必须不小于被摄影区域的最高纬度或最低纬度绝 对值，不小于发射场的纬度；
• 2) 大型运载火箭将卫星和一级火箭送入停泊轨道，然后火箭发 动机将卫星送入期望轨道；
2016/1/4
9
1 航天器轨道设计
第四章-轨道机动
1.4 本节作业：估算载人探月的起飞重量
已知载人登月的速度冲量如上图所示，估算与阿波罗同等返 回规模（5.8吨）的载人探月任务，其地球起飞质量为多少？ （采用推进剂的比冲为450秒）
15
授课内容
1. 轨道机动概述 2. 平面内机动 3. 平面外机动 4. 组合机动 5. 具体应用
16
2.1 霍曼转移
V1 2 1 Vc1
Vf 0 Vc1
20
2.1 霍曼转移
第二种方法：画图法
0.7
x = [1:0.1:100];
0.6
dv1 = ((2.*x)./(1+x)).^0.5-1;
dv2 = (x).^(-0.5)-(2./(0x.5.*(1+x))).^0.5;
dv/v1
plot(x,dv1,'+',x,dv2,'o0',.4x,dv1+dv2,'--') [c,I] = max(dv1+dv2)
rv
v
r3
r
F m
有限推力法：发动机推力是一个有限量，轨道根数的 改变不是瞬间完成，而是有一定的时间过程。
优点：符合航天器轨道机动的实际情况，精度高
缺点：需要知道发动机的推力大小、航天器的质量 和具体的机动轨道等信息，不利于方案论证和初步 设计阶段的应用。
4
1.2 轨道机动的研究方法
F
0.3
c = 0.5363, I = 147 0.2 x = 15.6
0.1
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 rf/r1
21
航天器的轨道保持与控制技术
航天器的轨道保持与控制技术当我们仰望星空，想象着那些在太空中穿梭的航天器时，可能很少有人会想到，要让它们在预定的轨道上稳定运行，并准确地完成各种任务，背后需要依靠一系列复杂而精妙的轨道保持与控制技术。
这些技术就像是无形的大手，精准地掌控着航天器的每一次飞行轨迹，确保它们能够安全、高效地完成使命。
首先，让我们来了解一下什么是航天器的轨道。
简单来说，航天器的轨道就是它在太空中飞行的路径。
这个路径受到多种因素的影响，比如地球的引力、太阳的引力、月球的引力，甚至是大气阻力等。
为了让航天器能够按照我们的期望在太空中运行，就需要对它的轨道进行精确的计算和设计。
在轨道保持方面，航天器面临着诸多挑战。
其中一个重要的因素就是大气阻力。
当航天器在近地轨道运行时，尽管太空环境看似真空，但仍然存在着极其稀薄的大气。
这些稀薄的大气会对航天器产生阻力，导致它的速度逐渐降低，轨道高度也随之下降。
如果不加以控制，航天器最终可能会坠入大气层烧毁。
为了克服这个问题，航天器通常会配备推进系统，定期进行轨道提升，以保持在预定的轨道高度上。
除了大气阻力，太阳活动也会对航天器的轨道产生影响。
太阳会不断地释放出高能粒子和电磁辐射，这些都会对航天器的轨道产生微小但不可忽视的干扰。
例如，在太阳活动高峰期，太阳的磁场会发生变化，从而影响地球周围的引力场，导致航天器的轨道发生偏移。
为了应对这种情况，地面控制中心会密切监测太阳活动，并根据预测的结果及时调整航天器的轨道。
在控制航天器的轨道时，精确的测量和计算是至关重要的。
地面测控站会通过各种手段，如雷达、光学望远镜等，对航天器的位置、速度和姿态进行测量。
这些测量数据会被传输回地面控制中心，经过复杂的计算和分析，制定出相应的轨道控制策略。
然后，地面控制中心会向航天器发送指令，控制其推进系统的工作，实现轨道的调整。
推进系统是实现轨道控制的关键部件。
目前，航天器常用的推进系统包括化学推进系统和电推进系统。
化学推进系统具有推力大、响应快的优点，但燃料消耗较大，适用于短时间内需要较大推力的轨道调整。
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。
航空航天工程师的航天器轨道动力学
航空航天工程师的航天器轨道动力学航天工程是现代科技领域中最为复杂和挑战性的领域之一。
而在航天工程中，轨道动力学是十分重要的学科之一。
作为航空航天工程师，了解航天器的轨道动力学是必不可少的。
本文将探讨航天器轨道动力学的基本概念和应用。
一、轨道动力学的基本概念航天器的轨道动力学是研究航天器在空间中运动的学科。
它涉及到航天器的运行状态、运行路径以及运动参数等方面的理论与计算。
在轨道动力学中，常用的概念有轨道、轨道高度、轨道倾角等。
1.1 轨道轨道是航天器绕行星体（如地球）运行的路径。
根据轨道的形状和特性，轨道可以分为圆轨道、椭圆轨道、偏心轨道等。
通过设定不同的轨道，航天器可以实现不同的任务目标，如通信卫星通过地球同步轨道可以实现全球通信覆盖。
1.2 轨道高度轨道高度是指航天器距离地球表面的垂直距离。
通常以海平面为基准点，可以分为低地球轨道、中地球轨道、高地球轨道等。
轨道高度的选择与航天器的任务和设计要求密切相关，不同的高度对应着不同的应用场景。
1.3 轨道倾角轨道倾角是指轨道平面与地球赤道面之间的夹角。
轨道倾角的大小直接影响着航天器与地球的相对位置和轨道运动形式。
通常情况下，轨道倾角为0°的轨道被称为赤道轨道，而倾角较大的轨道则会呈现出椭圆形的轨道运动。
二、航天器轨道动力学的应用轨道动力学对于航天器的设计、运行和任务实施都有着重要的指导意义。
航天工程师在进行航天器设计和任务规划时需要充分考虑轨道动力学的相关因素。
2.1 轨道设计与控制航天工程师需要根据不同任务的需求，合理选择适当的轨道参数，确保航天器能够按照预定轨道进行运行。
同时，在航天器运行过程中，轨道控制也是一个关键问题。
通过调整姿态、推进系统等手段，航天工程师可以实现对航天器轨道的精确控制和调整。
2.2 轨道机动与转移航天器在任务实施过程中，可能需要进行轨道机动和转移，以满足不同的任务需求。
轨道机动是指改变航天器轨道的运动，包括姿态调整、轨道升降、轨道平面变换等。
西工大航天研究生科目2011
附件二：2011年攻读硕士学位研究生招生专业目录学科、专业代码及名称研究方向代码及名称指导教师招生人数考试科目备注002航天学院90 081105 导航、制导与控制3001 航天器及导弹制导与控制系统周军教授闫杰教授杨军教授张科教授黄攀峰教授于云峰教授郭建国副教授符文星副教授刘莹莹副教授王红梅副教授余瑞星副教授葛致磊副教授于晓洲副教授卢晓东副教授呼卫军副教授101政治201英语301数学（一）821自动控制原理836航天器与导弹任选控制原理联系人：李栓学029-*******4复试科目：936现代控制理论基础同等学力加试科目：导弹控制原理航天器控制原理接受推免研究生4名02飞行器控制与仿真技术周军教授闫杰教授翁志黔教授梁志毅教授张科教授王民钢教授黄攀峰教授于云峰教授符文星副教授刘莹莹副教授谭雁英高工王红梅副教授余瑞星副教授葛致磊副教授于晓洲副教授王鑫副教授呼卫军副教授陈凯副教授卢晓东副教授03先进控制理论及技术周军教授闫杰教授杨军教授黄攀峰教授于云峰教授郭建国副教授符文星副教授刘莹莹副教授谭雁英高工葛致磊副教授04通信、测控、信息安全与对抗技术周军教授闫杰教授张科教授于晓洲副教授王鑫副教授陈凯副教授082303 交通运输规划与管理 401新航行系统袁建平教授方群教授罗建军教授岳晓奎教授101政治201英语任214德语（一外）选301数学（一）821自动控制原理任839飞行器飞行力学选复试科目：937卫星定位导航基础同等学力加试科目：航天器飞行力学组合导航技术214德语（一外）只限报袁建平、岳晓奎接受推免研究生1名02空间交通管理与控制袁建平教授方群教授罗建军教授岳晓奎教授082501 飞行器设计2901飞行器总体设计王兴治院士谷良贤教授文立华教授谢宗蕻教授杨茂副教授龚春林副教授徐超副教授101政治201英语任选一214德语（一外）301数学（一）837 气体动力学842 飞行力学与任选一结构力学复试科目：938飞行器总体设计同等学力加试科目：飞行器总体设计飞行器结构设计航天器飞行力学组合导航技术任选2门214德语只限报袁建平、岳02飞行器结构设计文立华教授谢宗蕻教授吴斌副教授徐超副教授03飞行器飞行动力学与控制袁建平教授唐硕教授徐敏教授方群教授祝小平教授罗建军教授李新国教授王志刚教授岳晓奎教授朱战霞教授刘芸副教授马卫华副教授晓奎接受推免研究生2名04空天飞行器系统与技术谷良贤教授袁建平教授唐硕教授徐敏教授方群教授罗建军教授李新国教授岳晓奎教授朱战霞教授马卫华副教授龚春林副教授05飞行器系统工程与仿真袁建平教授唐硕教授祝小平教授罗建军教授李新国教授王志刚教授刘芸副教授082502 航空宇航推进理论与工程1901 发动机总体设计毛根旺教授李进贤教授鲍福廷教授胡春波教授李江教授刘佩进教授杨涓教授唐金兰副教授孙得川副教授胡松启副教授李强副教授张研副教授101政治201英语任选一213日语（一外）301数学（一）837 气体动力学842 飞行力学与任选一结构力学复试科目：940火箭发动机设计同等学力加试科目：气体动力学火箭发动机原理工程热力学任选2门，但不能和初试科目相同213日语（一外）限报毛根旺老师接受推免研究生1名02 发动机燃烧与流动何国强教授李进贤教授胡春波教授李江教授刘佩进教授唐金兰副教授冯喜平副教授孙得川副教授王英红副教授胡松启副教授李强副教授03 传热、传质与热结构毛根旺教授何国强教授冯喜平副教授孙得川副教授王英红副教授张研副教授04 测试、热工程信息处理、状态检测及故障诊断何国强教授刘佩进教授胡松启副教授孙得川副教授05 特种发动机技术毛根旺教授何国强教授杨涓教授冯喜平副教授082602 兵器发射理论与技术 401运载火箭发射故障检测、诊断与仿真闫杰教授王民钢教授黄攀峰教授于云峰教授101政治201英语301数学（一）836航天器与导弹任控制原理843火箭发动机原理选复试科目：936现代控制理论基础同等学力加试科目：导弹控制原理航天器控制原理接受推免研究生1名02发射动力学智能控制与发控系统工程周军教授张科教授082603 火炮、自动武器与弹药工程401特种高能燃料何国强教授王英红副教授101政治201英语任选一213日语301数学（一）836航天器与导弹控制原理任选843火箭发动机原理复试科目：940火箭发动机设计同等学力加试科目：气体动力学火箭发动机原理工程热力学任选2门，但02弹箭增程技术毛根旺教授李进贤教授鲍福廷教授胡春波教授03弹箭总体结构设计何国强教授毛根旺教授李进贤教授鲍福廷教授王英红副教授不能和初试科目相同213日语（一外）限报毛根旺接受推免研究生1名430111 控制工程15周军教授闫杰教授翁志黔教授梁志毅教授杨军教授张科教授王民钢教授黄攀峰教授于云峰教授郭建国副教授符文星副教授刘莹莹副教授谭雁英高工王红梅副教授余瑞星副教授葛致磊副教授于晓洲副教授卢晓东副教授呼卫军副教授王鑫副教授陈凯副教授101政治204英语（二）302数学（二）821自动控制原理836航天器与导弹任选控制原理复试科目：936现代控制理论基础同等学力加试科目：导弹控制原理航天器控制原理430134 航天工程25王兴治院士谷良贤教授文立华教授谢宗蕻教授袁建平教授唐硕教授徐敏教授方群教授祝小平教授罗建军教授李新国教授王志刚教授岳晓奎教授朱战霞教授毛根旺教授101政治204英语（二）302数学（二）837 气体动力学842 飞行力学与任选一结构力学复试科目：938飞行器总体设计940 火箭发动机任选1门同等学力加试科目：飞行器总体设计飞行器结构设计航天器飞行力学组合导航技李进贤教授鲍福廷教授胡春波教授李江教授刘佩进教授杨涓教授何国强教授杨涓教授杨茂副教授吴斌副教授龚春林副教授徐超副教授刘芸副教授马卫华副教授唐金兰副教授孙得川副教授胡松启副教授李强副教授张研副教授冯喜平副教授王英红副教授术气体动力学火箭发动机原理任选2门航天学院2010-5-28专业课及复试科目大纲题号：836《航天器与导弹控制原理》考试大纲一、考试内容根据我校教学及该试题涵盖专业的特点，对考试范围作以下要求：1．航天器控制的基本概念：航天器的分类和系统组成、航天器控制系统的基本任务和基本概念；2．航天器的轨道与姿态动力学和运动学：航天器轨道的基本定理、二体问题与方程、轨道的描述、轨道摄动；姿态动力学方程、航天器的一般运动方程、姿态干扰力矩；3．航天器的姿态控制系统总体：系统总体结构、敏感器工作原理、执行机构工作原理； 4．航天器的被动姿态控制系统：自旋卫星的稳定原理和章动性、章动阻尼、重力梯度稳定原理；5．航天器主动控制系统：推力器姿态稳定原理，飞轮姿态稳定原理、零动量轮三轴姿态稳定系统、控制力矩陀螺姿态稳定系统；自旋稳定卫星的喷气姿态机动和磁线圈姿态机动控制、航天器的姿态捕获。
航天类专业面试题及答案
航天类专业面试题及答案一、简答题1. 请简述航天器的分类及其主要用途。
答案：航天器主要分为载人航天器和无人航天器两大类。
载人航天器包括宇宙飞船、航天飞机、空间站等，主要用于科学研究、太空探索、国际合作等。
无人航天器包括科学探测卫星、通信卫星、地球观测卫星等，主要用于数据收集、通信、导航、气象预报等。
2. 什么是轨道机动，它在航天任务中的作用是什么？答案：轨道机动是指在航天器的飞行过程中，通过改变其速度、方向或高度来调整轨道参数的操作。
它在航天任务中的作用包括：进入预定轨道、轨道维持、轨道转移、避免空间碎片碰撞、返回地球等。
3. 请解释什么是“引力弹弓效应”？答案：引力弹弓效应，也称为重力助推，是一种利用行星或其他天体的引力来改变航天器速度和方向的技术。
通过这种方式，航天器可以在不消耗自身推进剂的情况下获得额外的速度，从而节省燃料并提高效率。
二、论述题1. 论述航天器在发射过程中可能遇到的挑战及其应对措施。
答案：航天器在发射过程中可能遇到的挑战包括极端的温度变化、大气阻力、结构完整性、控制系统的可靠性等。
应对措施包括使用特殊的热防护材料、优化气动设计、加强结构设计、采用冗余控制系统等。
2. 请论述航天器在太空中如何进行姿态控制。
答案：航天器在太空中进行姿态控制主要依赖于姿态控制系统，该系统通常包括陀螺仪、姿态控制单元（如反作用轮或姿态控制推进器）、太阳传感器、星敏感器等。
通过监测航天器相对于参考坐标系的姿态，并利用控制单元产生的力矩来调整航天器的姿态，确保其正确指向目标，如对地观测或对星通信。
三、案例分析题1. 假设你是一名航天器设计师，你的团队正在设计一颗用于地球观测的卫星。
请描述你的设计思路和考虑的关键因素。
答案：设计地球观测卫星时，需要考虑的关键因素包括：卫星的轨道选择（如太阳同步轨道、地球静止轨道）、观测仪器的性能（如分辨率、光谱范围）、数据传输能力、能源供应（太阳能电池板的效率和寿命）、卫星的稳定性和寿命、以及成本效益分析。
航空航天工程师的航天器轨道控制和校正
航空航天工程师的航天器轨道控制和校正航天器的轨道控制和校正是航空航天工程师在航天器任务中必须掌握的重要技术。
本文将从航天器轨道基础知识、轨道控制方法和校正技术三个方面进行探讨。
一、航天器轨道基础知识1. 轨道类型航天器的轨道可以分为地球同步轨道、低地球轨道、中地球轨道和高地球轨道等几种类型。
地球同步轨道是指航天器与地球自转保持同步的轨道，主要用于通信、气象等任务。
低地球轨道则位于地球表面附近，对应低轨卫星，适用于遥感和科学探测。
中地球轨道和高地球轨道则用于导航、定位以及深空探测等任务。
2. 轨道要素轨道要素是描述航天器轨道的基本参数，包括半长轴、离心率、倾角、升交点赤经和近地点幅角等。
半长轴决定了轨道大小，离心率反映了轨道的偏心程度，倾角则是轨道相对于地球赤道的倾斜度。
升交点赤经和近地点幅角则决定了轨道在空间中的定位。
二、轨道控制方法1. 推力控制推力控制是最基本的轨道控制方法之一。
通过发动机的推力来改变航天器的速度和轨道要素，实现轨道控制。
推力控制可以改变航天器在轨道上的位置和速度，将其调整到目标轨道上。
同时，推力控制还可以用于轨道捕获、轨道变轨和轨道维持等任务。
2. 引力助推引力助推是利用其他星球或天体的引力场来调整航天器的轨道。
通过巧妙地选择航天器的飞行路径和天体的引力场，可以实现轨道的调整和校正。
引力助推是一种经济高效的轨道控制方法，被广泛应用于深空探测任务中。
3. 燃耗控制燃耗控制是一种轨道控制的 pass要技术，通过控制航天器的燃料消耗，实现轨道的调整和维持。
燃耗控制需要精确计算航天器的燃料消耗量和推力大小，以确保轨道控制的精度和稳定性。
同时，燃耗控制还需要考虑航天器燃料的存储和供给问题，保证航天器能够长时间在轨道上运行。
三、航天器轨道校正技术1. 格栅管制格栅管制是一种常用的轨道校正技术，通过改变航天器的迎风面积，实现航天器的姿态调整和速度控制。
格栅管制可以将航天器的速度减小或增加，从而调整其轨道位置和形状。
航天器概论(西工大)3、第三章 第一节航天器的轨道
用这个速度发射航天器，脱离地球引力场，但是没 有脱离太阳引力场，于是它将变成人造行星。 10.3.3第三宇宙速度 地球上发射一个航天器，使它脱离太阳引力场所需要 的最小速度。
该图中势能零点取无穷远处,势能最高处在地心，V2s/E为地球发射航 天器速度增量（相对地心）V3为地球表面上发射太阳逃逸航天器所需速 度，-Ue/R为航天器在地球表面上相对地心所具有的势能，地心势能高。
第三，星下点轨迹不同 人造地球卫星在地面的投影点（或卫星和地心连线与地面 的交点）称为星下点。卫星运动和地球自转使星下点在地球表 现移动，形成星下点轨迹。地球同步卫星的星下点轨迹是一条 8字形的封闭曲线，而地球静止卫星的星下点轨迹是一个点。 总结：人造地球卫星轨道所形成的平面叫卫星轨道平面， 它们都是通过地球中心的。由于地球的自转，卫星轨道平 面绕地球南北轴线旋转。
举例：发射地球静止轨道卫星的过程
地球静止轨道卫星常常采用过渡转移轨道入轨。它因火箭的级数不同而有 差异。 对于三级火箭来说，过程一般如下：第一、二级火箭经主动段、惯性飞行 段和加速段，将卫星连同火箭上面级送入200－400千米的停泊轨道。当飞经赤 道上空时，第三级火箭再次点火，把卫星送入近地点与停泊轨道高度相同、远 地点为35786千米（此高度是地球静止轨道卫星的高度）的大椭圆转移轨道。 卫星在转移轨道上运行时，地面测控站要精确测量它的姿态和轨道参数， 并随时调整它的姿态偏差。 当卫星在预定的转移轨道上运行到远地点时，地面测控站发出指令，让卫 星上的远地点发动机点火，使卫星提高飞行速度，并改变飞行方向，进入地球 同步轨道。 如要进入地球静止轨道，则需用卫星上的小推力发动机调整它的运行速 度，使它慢慢地到达预定的经度上空。这一过程叫卫星定点。
10.1.4.2
瞄准
航天器轨道动力学与控制(下)PPT课件
东西向经度位置保持控制策略
漂移率修正模式 漂移率、偏心率修正模式
南北向经度位置保持控制策略
轨道倾角修正模式
太阳同步轨道卫星的轨道控制
太阳同步轨道(Sun-synchronousorbit或Heliosynchronousorbit)指的就是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对 固定的取向，轨道倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)接近90度，卫星要在两极附近通过，因此又称之为近极 地太阳同步卫星轨道。为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向，因此轨道平面每天平均向地球公转方向(自 西向东)转动0.9856度(即360度/年)。
风云一号卫星
太阳同步轨道卫星的轨道摄动
太阳同步轨道卫星主要受到地球非球形引力摄动、日月引力摄动、大气阻力摄动及太阳辐射压力摄动。
摄动因素 地球非球形摄动 量级
太阳引 月球引力 太阳辐射
力
压摄动
静止轨道摄动量级
太阳同步轨道卫星的轨道保持
平面内轨道保持控制策略 轨道倾角保持控制策略
半长轴修正模式 a、e、w联合修正模式 轨道倾角修正模式
制
程
作
用
小特征速度情形
近 圆 轨 道 的 摄 动 方 程
脉冲推力近圆轨道修正
静止卫星变轨后由于误差，并不是真正的静止轨道，称为准同步轨道，真正准同步轨道的周期、偏心 率和倾角误差，使偏差减小到能满足正常运行的要求，并使卫星定点于制定的进度位置，称为定点捕 获。
卫星上燃料的限制
考虑因素
使卫星处于可监控范围内 在规定时间完成捕获
东方红二号通信卫星
北斗导航静止轨道卫星
静止轨道卫星的轨道摄动
静止轨道卫星的轨道摄动包括非球形地球引力场；日、月引力摄动；太阳辐射压摄动。
太空站维持轨道的方法
太空站维持轨道的方法当我们仰望星空，想象着太空中的空间站时，可能很少会去思考它是如何稳定地在轨道上运行的。
实际上，让太空站维持在预定轨道并非易事，这需要一系列复杂而精确的方法和技术。
首先，我们来了解一下什么是轨道。
简单来说，轨道就是航天器围绕天体运行的路径。
对于太空站而言，它通常围绕地球运行，其轨道高度和形状是经过精心设计和计算的。
要维持太空站的轨道，其中一个关键的因素就是速度。
太空站需要以特定的速度在轨道上运行，才能避免坠入地球大气层或者飞离地球的引力范围。
这个速度被称为环绕速度，它与太空站所处的轨道高度密切相关。
轨道越高，所需的环绕速度就越低；轨道越低，环绕速度就越高。
为了保持这个速度，太空站通常配备了强大的推进系统。
推进系统是太空站维持轨道的核心装备之一。
它可以通过燃烧燃料产生推力，来调整太空站的速度和轨道。
当太空站的速度略有下降时，推进系统会启动，为其提供额外的推力，使其恢复到正确的速度。
此外，推进系统还可以用于改变太空站的轨道高度和倾角，以满足不同的任务需求。
除了速度的调整，太空站还需要应对来自地球引力的不均匀影响。
地球并不是一个完美的均匀球体，其质量分布存在差异，这会导致对太空站的引力也有所不同。
这种引力的不均匀性被称为引力摄动。
为了抵消引力摄动的影响，地面控制中心会不断监测太空站的轨道参数，并通过计算制定相应的轨道调整策略，然后指令太空站的推进系统进行精确的推力施加。
太空站在运行过程中还会受到大气阻力的影响。
尽管太空站所处的高度大气非常稀薄，但仍然会对其产生一定的阻力，导致太空站的速度逐渐降低，轨道高度逐渐下降。
为了补偿大气阻力造成的能量损失，太空站需要定期进行轨道提升操作。
轨道提升操作通常是通过推进系统的长时间工作来实现的。
在这个过程中，太空站会消耗大量的燃料。
因此，为了减少燃料的消耗，提高太空站的运行寿命，科学家们在设计太空站时会采取一些措施来降低大气阻力的影响。
例如，优化太空站的外形，使其在大气中受到的阻力更小；或者在太空站的表面覆盖特殊的材料，以减少与大气分子的摩擦。
航天器的发射与轨道调整技术
航天器的发射与轨道调整技术当我们仰望星空，想象着宇宙的无尽奥秘时，航天器就是我们探索未知的使者。
而航天器能够成功进入太空并在预定轨道上运行，离不开一系列复杂而精妙的技术，其中航天器的发射与轨道调整技术尤为关键。
首先，让我们来了解一下航天器的发射过程。
这就好比一场精心策划的盛大演出，每一个环节都必须精确无误。
航天器的发射通常在专门的发射场进行，比如我国的酒泉卫星发射中心、西昌卫星发射中心等。
在发射之前，要对航天器进行全面而细致的检查和测试，确保其各个系统都能正常工作。
这包括航天器的结构完整性、电子设备的性能、推进系统的可靠性等等。
就像我们出行前要检查车辆的状况一样，航天器也需要这样的“体检”，以保障它在太空之旅中的安全。
当一切准备就绪，就是激动人心的发射时刻。
火箭作为航天器的运载工具，承担着将其推向太空的重任。
火箭发动机燃烧燃料产生巨大的推力，克服地球引力和大气层的阻力，使航天器逐渐加速。
在这个过程中，火箭的飞行轨迹和速度都需要被精确控制。
而在航天器发射的初始阶段，大气层的影响不可忽视。
空气的阻力会使火箭产生大量的热量，因此火箭的表面通常会采用特殊的耐高温材料来保护内部的航天器。
随着火箭不断上升，大气层逐渐稀薄，直到最终摆脱地球的大气层，进入太空。
当航天器成功与火箭分离，进入预定轨道后，它的任务才刚刚开始。
接下来，就需要进行轨道调整，以确保航天器能够准确地执行各项任务。
轨道调整技术主要依靠航天器自身携带的推进系统来实现。
这些推进系统可以是化学推进剂火箭发动机，也可以是电推进系统等。
通过控制推进系统的工作时间和推力大小，航天器可以改变其速度和轨道高度。
比如说，如果航天器的轨道高度过低，可能会受到大气阻力的影响而逐渐降低轨道，甚至坠入大气层。
这时，就需要通过推进系统增加航天器的速度，使其轨道高度上升。
反之，如果轨道高度过高，也需要适当降低速度来调整轨道。
此外，航天器还需要进行轨道平面的调整。
有时候，为了更好地完成任务，航天器需要从一个轨道平面转移到另一个轨道平面。
航天器的轨道问题
【专题名称】中学物理教与学【专题号】G36【复印期号】2012年01期【原文出处】《物理教学》(沪)2011年8期第10～12页【作者简介】王秋霞，郭成宝，上海市控江中学（上海200093）。
新世纪以来，七次神舟飞船顺利遨游太空，两次嫦娥奔月成功，使我国航天技术在世界上占有一席之地。
广大青少年对航天事业产生了浓厚的兴趣。
航天器的运行规律，主要是基于牛顿力学，笔者认为在高中阶段的物理课中结合万有引力定律的教学，可以引进有关卫星轨道的力学知识，至少在拓展课或选修课中可以采用。
本文为此提供有关卫星轨道的若干基础知识。
一、轨道的建立众所周知，卫星是在星体的万有引力作用下作有心力运动的。
当某一卫星沿着轨道运行时，卫星的机械能（动能和引力势能之和）既不增加，也不减少，而是保持常值。
机械能其中μ是中心球体的引力参数，等于万有引力恒量和中心天体质量的乘积。
卫星绕中心引力体运动，当r和v沿轨道变化时，角动量L=r×mv保持不变。
采用极坐标（见图1），经过数学处理，卫星的轨道方程是：r表示卫星与中心天体即力心O的距离，或称矢径；θ为r与极轴的夹角，m为卫星的质量，这样r仅为θ的函数，即r=r （θ）。
综合上述分析，可得出如下结论：在近地点发射的速度决定了轨道的一切要素。
二、轨道的控制——变轨问题为完成航天器的任务，必须由地面控制，发出指令，让航天器变更轨道。
如嫦娥1号，近地需4次变轨使嫦娥1号进入地月轨道，到近月时又要三次变轨；如发射同步卫星，需要将原来的轨道平面轨移到赤道平面上以完成不同轨道的转移。
变轨是依靠航天器上的喷气发动机来改变其速度而完成的，但是要航天器上存储大量的燃料是不可能的，因此在转轨时要尽量节省燃料。
1.圆轨道间的变轨再如在发射同步卫星时，需要将原来的轨道平面转移到赤道平面上（如下页图6所示），应在两个轨道的一交点上加Δv，如两轨道之间的轨移角为θ，从图7中可知Δv=2vsin，因为发射点的纬度越高，θ就越大，故所需的Δv也就越大。
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1、轨道机动的基本概念
航天器轨道机动的瞬时假设： 因此在初步讨论轨道机动问题时，
假设发动机按冲量方式工作，即在航天
器位置不发生变化的情况下，使航天器 的速度发生瞬时变化。 这一假设可使问题得到简化，为更 深入的研究提供必要的基础。
1、轨道机动的基本概念
航天器轨道机动的瞬时假设： 在变轨点 Q1处速度为VA 在 Q1处发动机工作产生速度增量V 航天器的速度由VA 瞬时变成VB V 进入轨道B
轨道面法向分量ｆ ｈ b.分解为轨道速度方向上的分量 ｆ ｕ,
ｆ ｆ 轨道面内的法向分量 ｎ ,轨道面法量 ｈ 。
ｆ ｕ ｆ ｒ ｆ ｔ ｆh ｆ ｎ
Ｏ ｒ
（1） 高斯摄动方程
按第一种分解法，所得高斯摄动方程如下：
a＝ 2 n 1 e
2
１+e cos f e sin f f r
航天器控制原理
第31讲 航天器的轨道机动 与轨道保持
主讲：黄 河
西北工业大学 精确制导与控制研究所
第31讲 航天器的轨道机动 与轨道保持
1、轨道机动的基本概念 2、平面内的轨道机动 3、平面外的轨道转移 4、轨道保持
1、轨道机动的基本概念
轨道控制： 使航天器按预定轨道运动。简单地 说，就是控制航天器质心运动的速度大 小和方向，使航天器的轨道满足飞行任 务的要求。 控制力：
r 2e cos p r f f r 1 sin f f t p
1 e2 M n nae
（1） 高斯摄动方程
按第二种分解法，所得高斯摄动方程如下：
a＝ 2 n 1 e
2 1
1 2e cos f e
2a 2 a v v r r2
基于轨道机动的瞬时假设，在
轨道上某点速度v改变而保持r不变， 则 ：
a 2a 2
vv
因为轨道长轴是2a，所以轨道长度 的改变是a。
（2） 轨道高度的修正
假定在近拱点改变速度，那么由此
造成的长轴改变量正好是远拱点高度的 变化。
ft
1 e2 e sin f f r cos f cos E ft na r cos u r sin u i fh fh 2 2 na 2 1 e 2 na 1 e sin i
1 e2 nae r cos f f 1 sin f f r t cos i p
VB
VA
Q1
地球
轨道A
轨道B
2、平面内的轨道机动
（1） 高斯摄动方程
（2） 轨道高度的修正
（3） 共面两轨道的一般转移
（4） 霍曼转移
（1） 高斯摄动方程
什么是高斯摄动方程？
用来描述航天器的轨道六要素在 摄动力作用下的运动规律。
（1） 高斯摄动方程
摄动力f常有以下两种分解方法：
ｆ a.分解为径向分量ｆ ｒ ,横向分量 ｔ,
控制航天器的速度一般采用反作用
推力、气动力、太阳辐射压力、磁力和
其他非重力源的力。
1、轨道机动的基本概念
轨道控制范围： •轨道机动； •轨道保持； •交会、对接； •再入返回； •落点控制。
1、轨道机动的基本概念
轨道机动：
•是指沿已知轨道运动的航天器改变为
沿另一条要求的轨道运动。
•已知的轨道称为初轨道或停泊轨道，
v2 由能量方程式： 2 r 2a
两边求一次微分得：vd v 2 d r 2 d a r 2a
2a 2 由此可以解出： d a vd v 2 d r r
（2） 轨道高度的修正
在小偏差情况下，由 v 和 r 引起的长半轴a的改变量 a 为：
1 1 e2 2 2 1 2e cos f e 2cos f fu cos E e f n cos i nae
1 1 e2 2e2 2 2 M n 1 2 e cos f e 2sin f sin E f cos E e f u n 2 nae 1 e
同样，在远拱点速度改变v ，将导
致近拱点高度的相同变化。 将一般关系应用于在近拱点和远拱点 加上 v 的特殊情况，得到远拱点和近拱 点的高度变化，即：
ha 4a
2
v
p
v p
4a 2 h p va v a
（3） 共面两轨道的一般转移
两轨道在同一平面内相交：
轨道A与轨道B在同一平面内相交， 交点为 。 Q1
Q1
轨道B
地球
轨道A
（3） 共面两轨道的一般转移
为了使航天器从轨道A转移到轨道 B，需要在两轨道的交点Q1 处加一 个速度增量V ，满足v B v A v。
2
2
fu
1 e2 2 1 2 2 e 1 2 e cos f e 2 cos f e f 1 e sin E f n u na r cos u r sin u i fh fh 2 2 na 2 1 e 2 na 1 e sin i
（2） 轨道高度的修正
航天器在预定轨道上运动由于大气摄动、地球扁率、 太阳和月球的引力等影响,航天器会脱离预定轨道 现在可以在近拱点或 远拱点改变速度,修 正轨道误差,使航天 器回到预定轨道地球 NhomakorabeaV
（2） 轨道高度的修正
近拱点或远拱点高度的修正： 通过轨道机动，可以将近拱点 或远拱点调到预期高度。
要求的轨道称为终轨道或预定轨道。
1、轨道机动的基本概念
控制系统的组成：
预定轨道 测量
敏感器 实际参数
执行机构
计算机
控制信号
动力 装置
△V
航天器
轨道控制系统的组成
1、轨道机动的基本概念
航天器轨道机动的瞬时假设：
当采用火箭发动机作为轨道机动系
统的动力装置时，由于火箭发动机能提 供较大的推力，因而短时间工作即可使 航天器获得所需的速度增量。