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。

第五章轨道机动（2学时）
轨道过渡的概念、分类和方法，脉冲机动，同平面的轨道过渡。

第六章星际航行（2学时）
星际航行，会合周期，发射窗口，影响球与圆锥曲线拼合法；星体的引力摄动。

第七章空间飞行器的相对运动（2学时）
相对运动概念，轨道坐标系中的相对运动方程，视线系中的相对运动方程，交
会对接的概念和方法。

第八章空间飞行器的摄动理论（7学时）
地球的引力摄动，地球势函数模型，干扰力分量引起的摄动，地球扁度引起的
摄动，稀薄大气引起的摄动及轨道的寿命，地球静止轨道卫星的摄动。

第九章空间飞行器的返回（5学时）
返回式空间飞行器的概念、分类，大气层外的飞行，大气中的飞行，气动飞行
中的过载、过热及控制的概念、特点及动力学分析。

姿态动力学部分(下篇)
第一章姿态运动学（4学时）
姿态运动学概述，常用坐标系，欧拉角和坐标变换，姿态角速度及其分解，姿
态动力学的基本数学基础，矢量及其分量间的各种计算，相对、绝对导数。

第二章卫星姿态动力学（2学时）
姿态动力学基本方程式(欧拉方程)的建立：假设、推导、特性以及化简的前提。

第三章轴对称空间飞行器的自由运动（5学时）
轴对称空间飞行器的自由转动特性；非对称空间飞行器的自由转动特性，刚体绕惯性主轴旋转的稳定性；有能量损耗时刚体的自由转动。

第四章重力梯度力矩和重力梯度稳定卫星（3学时）
重力梯度力矩；重力梯度稳定空间飞行器；能量耗散对重力梯度飞行器的影响。

第五章自旋空间飞行器（4学时）
自旋空间飞行器的章动阻尼；自旋轴的指向控制；自旋空间飞行器的重力梯度稳定；双自旋空间飞行器的特性、重力梯度稳定。

第六章带动量轮刚体空间飞行器（2学时）
带动量轮的空间飞行器的姿态问题，装有不同形式动量轮的空间飞行器的动力学方程的建立。

第七章带挠性附件的空间飞行器（4学时）
带挠性附件的空间飞行器的姿态动力学：基本概念，基本方程式的导出，动力学方程的求解方法。

三、课程负责人示范性教学设计
1. 内容体系
《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。

课程的主要内容是空间飞行器动力学的基本概念、基本原理及其应用。

本课程包括轨道动力学和姿态动力学两部分，主要内容有：两体运动的原理；空间飞行器的轨道的理论与应用；星际航行原理与方法；空间飞行器的相对运动方程；空间飞行器的摄动及地球卫星的摄动。

姿态运动学与动力学；欧拉方程；重力梯度卫星、单自旋卫星、双自旋卫星的姿态动力学及稳定性分析；三轴稳定卫星的姿态动力学。

2. 任课教师研究的教材
a.《Spacecraft Attitude Dynamics》, Peter C. Hughes编，该教材从理论上详细分析了各类空间飞行器的姿态动力学，是一本十分优良的专著，但近600页的庞大篇幅，很难让学生在较短
的时间充分阅读。

b.《Modern Spacecraft Dynamics and Control》, Marshall H. Kaplan编，这本教材重点在于姿态控制，有些姿态动力学的基本问题讲解的不透。

c.《航天器姿态动力学》，刘延柱编，作者刘延柱是上海交通大学的著名教授，此书适合力学类学生使用，对于工科的学生可以选阅其中的部分内容。

d.《航天器姿态动力学》，黄圳圭编，此书也是比较好的参考教材，因总的体系和我校的有些不同，因此列到学生的参考读物。

3．关于课堂教学
本课程重点内容为空间飞行器的轨道与姿态的动力学方程式。

课堂教学以讲课为主，重点讲授方程式建立的条件，基本过程，方程式的特性。

在与工程技术相关的部分，要明确相应理论应用的前提条件，以及具体应用时的实际情况，尽量以实际问题为例，启发学生思考，既能激发学生的学习兴趣，又能做到理论与实际相结合，加深学生对课程内容的理解。

对典型的问题进行多人次的课堂提问，活跃学生的思维，督促学生课堂认真听讲，提高课堂学习效率。

4. 关于作业、考试
在每部分结束后给学生留一定量的习题，作为作业，。

课程中安排有10学时上机，要求学生认真完成课程的一个大作业，作业成绩占考试成绩的一部分。

课程结束后，需要进行正常的笔试考试。

《航天技术概论》课程教学大纲
课程编码：T3180090
课程中文名称：航天技术概论
课程英文名称：INTRODUCTION OF SPACE TECHNICS
总学时：24讲课学时：20实验学时：4
学分：1.5
授课对象：航天工程系、控制科学与工程系、航天科学与力学系、电子科学与技术系本科生
先修课程：工科数学分析大学物理
一、课程教学目的
通过本课程的学习，使学生牢固掌握导弹与航天器的基本概念和基本理论，树立正确的宇宙观，培养航天精神和爱国主义精神，并为相关专业课的学习打下一定的知识基础。

二、教学内容及基本要求
本课程包括第一篇导弹技术（第一章~第七章）和第二篇航天技术（第八章~第十七章）两部分，主要讲授国内外导弹及航天技术的发展概况，介绍导弹及航天技术的基本概念和原理，要求学生掌握有关导弹和航天器的基本概念、系统组成及工作原理，了解导弹和航天技术的发展状况及趋势。

主要章节有：
第一篇导弹技术
第一章绪论（1学时）
火箭和导弹的概念；火箭和导弹的发展史；导弹的分类和组成；反作用飞行原理。

第二章动力装置（1.5学时）
动力装置的分类；空气喷气发动机；化学火箭发动机。

第三章导弹飞行力学基础（2.5学时）
空气动力学基本知识；导弹飞行动力学方程；导弹的机动性、稳定性和操纵性；导引规律。

第四章导弹的的制导（3学时）
导弹制导系统的分类和组成；自主式制导系统；遥控式制导系统；自寻的式制导系统；复合制导。

第五章导弹的外形与结构（1学时）
有翼导弹的外形及基本组成；弹翼结构；弹体结构
第六章战斗部系统（1学时）
战斗部系统的组成；战斗部的工作原理；引信和保险装置。

第二篇航天技术
第一章绪论（1学时）
航天技术发展史；航天技术的内容；航天器分类；航天技术系统的特殊性；航天器飞行环境。

第二章航天器的轨道（2学时）
人造地球卫星的发射；中心力场中质点的运动；三个宇宙速度和地球静止轨道卫星发射速度；人造地球卫星轨道根数；轨道控制；星下点轨迹。

第三章航天器的姿态动力学与控制(1学时)
姿态运动学和动力学的基本概念；几种姿态控制原理。

第四章人造地球卫星结构(0.5学时)
卫星的结构形式；对结构的主要要求；结构设计程序；结构分析；结构材料；结构试验。

第五章航天器的温度控制(1学时)
航天器的热能平衡；航天器的温度控制方法；热真空模拟实验。

第六章航天器的遥测遥控及测控地面站（1学时）
航天器的测控原理，包括遥测、遥控和跟踪测轨；测控地面站。

第七章航天器的返回（1学时）
返回过程；返回型航天器的分类；着陆；防热结构。

第八章载人航天器（1.5学时）
载人飞船；登月与阿波罗飞船；航天飞机；空间站。

第九章空间探测（1学时）
空间探测器的轨道；月球探测；金星探测。

三、课程负责人指导性课程设计
1. 内容体系
《航天技术概论》是航天学院飞行器设计与工程专业、工程力学专业、飞行器环境与生命保障专业、自动化专业、电子科学与技术专业本科生的技术基础选修课。

本课程分为导弹技术和航天技术两大部份，阐述有关导弹和航天器的基本概念、系统组成、工作原理以及导弹和航天技术的发展概况和趋势。

此课程的特点是突出导弹和航天技术的基本概念和基本原理这一主线，导弹技术部分围绕导弹的4大组成部分展开，航天技术部分主要介绍与航天器上重要的分系统（轨道和姿态控制系统、温度控制系统）有关的基本原理和方法以及载人航天技术。

2. 任课教师研究的教材
∙《航天技术概论》，褚桂柏主编，中国宇航出版社，2002年11月
此书是航天专业国家级重点教材，主要介绍航天技术方面的基本知识和发展概况，内容包括近地空间环境、飞行力学、空间运输系统、空间推进、各类航天器、姿态动力学与控制、空间电源、热控制、测控网、发射场和着陆场以及航天技术的应用。

∙《导弹与航天技术概论》金永德等编著，哈尔滨工业大学出版社，2002年8月
此书为现使用的“航天技术概论”课程教材，是以1991年编写、1998年修订的哈工大校内讲义《航天技术概论》为基础，根据20年本课程的教学体会，参考国内外的新发表的相关资料及最新发展状况而编写的。

内容包括导弹技术和航天技术两大部分，系统全面、图文并茂，既可作为导弹及航天相关专业的航天技术概论课的教材，也可作为其它非航天专业本科生了解航天的一本入门书。

3．关于课堂教学
课堂教学以讲课为主，以多媒体课件为辅助的教学手段。

教学中穿插我国航天人的生动事例，宣扬航天精神，使学生在学习知识的同时，得到正确的宇宙观、爱国主义的教育。

4. 关于作业、考试
考试权重：平时成绩20%，实验10%，期末成绩70%。

实验项目明细表
序号实验项目名称学时实验
要求
实验
类型
每组
人数
1 观看影视录像资料片
2 必修演示
2 参观航天展品 2 必修演示8 :88/jiaoxueguangli/jiaoxuedagan/mulu1.htm。