课程名称航天器轨道动力学与控制
课程名称：航天器轨道动力学与控制
一、课程编码：0100035
课内学时：32学分：2
二、适用学科专业：航空宇航科学与技术、航天器自主技术
三、先修课程：工科数学分析、线性代数；
四、教学目标
通过本课程的学习了解航天器轨道动力学与控制基础知识、基本原理与设计方法，掌握航天器轨道的基本运动特性和航天器轨道设计与优化相关工具，能够根据任务要求进行初步的航天器轨道设计，提升数学建模，分析和解决航天器轨道控制与优化问题的能力。
五、教学方式：课堂教学
六、主要内容及学时分配
1.航天器轨道动力学与控制基本理论2学时
1.1轨道动力学中的时间系统与坐标系统
1.2航天器轨道动力学模型
1.3航天器轨道动力学中的基本概念
2.航天器轨道动力学中的二体问题与多体问题2学时
2.1二体问题的解析解和轨道根数
2.2二体问题的轨道状态与轨道根数
2.3多体问题与圆型限制性三体问题
3.航天器轨道摄动理论与方法6学时
3.1航天器轨道摄动方程
3.2中心引力场非球形摄动
3.3日地月引力摄动
3.4太阳光压摄动
3.5大气阻力摄动
4.航天器轨道动力学与轨道设计6学时
4.1航天器同步轨道设计与控制
4.2航天器回归轨道设计与控制
4.3航天器冻结轨道设计与控制
4.4航天器编队飞行轨道设计与保持
4.5航天器星座轨道设计与保持
5.航天器轨道机动与轨道转移4学时
5.1航天器的霍曼转移轨道
5.2航天器调相轨道机动
5.3航天器共拱线非霍曼转移轨道
5.4航天器最优脉冲转移轨道
6.航天器借力飞行轨道的设计与优化4学时
6.1借力飞行的基本概念与原理
6.2借力飞行的轨道特性分析
6.3多天体借力飞行序列设计
6.4航天器多天体借力飞行轨道设计
7.航天器基于动平衡点的轨道设计与优化6学时
7.1三体系统轨道动力学模型
7.2三体系统轨道动平衡点及其稳定性
7.3三体系统轨道动平衡点附近周期轨道
7.4三体系统中的转移轨道设计
七、考核与成绩评定
考核方式：闭卷考试
平时成绩40%包括3-4次课后作业，课堂随机提问与考勤
期末考试：60%
八、参考书及学生必读参考资料
教材：杨嘉墀，航天器轨道动力学与控制（上）[M]，北京，宇航出版社，1995.
参考书：
1.崔平远，深空探测轨道设计与优化[M]，北京，科学出版社，2013.
2.杨嘉墀，航天器轨道动力学与控制（下）[M]，北京，宇航出版社，2001.
3.Howard D.curtis，轨道力学[M]，北京，科学出版社，2009.
4.章仁为，卫星轨道姿态动力学与控制[M],北京，北京航天航空大学出版社，2006.
九、大纲撰写人：乔栋
姿态动力学大作业
反作用飞轮控制 一、（1）建立航天器姿态动力学方程和飞轮控制规律 如图1-1中， 图1-1 反作用飞轮系统 设三飞轮的质心重合与星体质心O 。三飞轮的轴向转动惯量分别为z y x J J J ,,。其横向转动惯量设已包含在星体惯量章量c I 内。星体角速度ω，飞轮相对于星体的角 速度记为： [ ] T z y x ΩΩΩ=Ω 星体与飞轮的总动量矩h 为： () ωωωωωωh h I I I I h b c +=Ω+?=Ω+?+?= （1-1） 式中， Ω ?=?=+=???? ? ?????=????? ?????=ωωωωωI h I h I I I J J J I I I I I b c z y x z y x 00 000 0000 易知，I 即星体与飞轮对点O 的总惯量章量，b h 即飞轮无转动时总动量矩，ωh 即飞轮转动时的相对动量矩。由动量矩定理得 e b b L h h h h h =?++?+=? ? ? ωωωω
? ? ??? ? Ω?Ω?Ω?-=-=+=?+?+? ? ? ? ? z z y y x x c e c b b J J J h L L L h h h ωωωω （1-2） 式中，e L 为外力矩，c L 为飞轮转轴上电机的控制力矩。式（1-2）就是装有反作用飞轮的刚性航天器动力学方程的矢量形式。 如定义星体轨道坐标系如图1-2所示， 图1-2 轨道坐标系 r r r z y ox 的角速度 r ω为 j n r -=ω 即轨道角速度。当为圆轨道时，则有 3 2R n μ = 式中μ为地球引力常数，R 为地球半径。如记ψθ?,,分别为星体滚转角、俯仰角与偏航角、且设ψθ?,,和? ? ? ψθ?,,均为小量。 当航天器相对于轨道坐标系按321旋转时角度旋转矩阵为： ???? ? ????? -++--=?θ? ψ?θψ? ψ?θψ?θ?ψ?θψ? ψ?θψθθ ψθψcos cos sin cos cos sin sin sin sin cos sin cos sin cos cos cos sin sin sin cos sin sin sin cos sin cos sin cos cos B 按321旋转时产生的角速度为：
航天器开普勒轨道和非开普勒轨道的定义_分类及控制
第35卷 第4期2009年8月 空间控制技术与应用 Aer os pace Contr ol and App licati on 航天器开普勒轨道和非开普勒轨道的定义、分类及控制3 孙承启1,2 (11北京控制工程研究所,北京100190; 2.空间智能控制技术国家级重点实验室,北京100190) 摘 要:给出了航天器开普勒轨道(K O)和非开普勒轨道(NK O)的来源、定 义、分类和特点,阐明了K O和NK O之间的关系,介绍了相关的轨道控制与轨 道确定、制导与导航的涵义. 关键词:开普勒轨道;非开普勒轨道;轨道分类;轨道控制;轨道确定 中图分类号:V412.41 文献标识码:A 文章编号:167421579(2009)0420001205 Spacecraft Kepler i a n O rb its and Non2Kepler i a n O rb its: D ef i n iti on,C l a ssi f i ca ti on and Con trol S UN Chengqi1,2 (1.B eijing Institute of Control Engineering,B eijing100190,China; 2.N ationa l L aboratory of Space Intelligent Control,B eijing100190,China) Abstract:This paper describes s pacecraft’s Kep lerian orbits(K O)and non2Kep lerian orbits(NK O) including their origins,definiti ons,classificati ons and characteristics,exp lains the relati onshi p bet w een the K O and the NK O,and intr oduces briefly s ome issues related t o orbit contr ol and orbit deter m inati on, guidance and navigati on. Keywords:Kep lerian orbits;non2Kep lerian orbits;classificati on of orbits;orbit contr ol;orbit deter m inati on 3本文是作者在2008年8月30—31日国家863计划“空间非开普勒轨道动力学与控制专题讨论会”上报告的基础上修改而成的. 收稿日期:2009203216 作者简介:孙承启(1943—),男,浙江人,研究员,研究方向为航天器制导、导航与控制,空间交会对接(e2mail: sunchengqi@s https://www.360docs.net/doc/b628874.html,). 人类科学认识天体运动是从哥白尼(1473— 1543)开始的,开普勒(1571—1630)根据前人的天 文观测资料总结出了行星绕太阳运动的三大定律, 被后人称为开普勒三定律.开普勒和伽利略 (1564—1642)之后,牛顿(1642—1727)提出了万有 引力定律和物体运动的三大定律(后人称之为牛顿 三定律),以此为基础的牛顿力学是天体力学的基 础,也是航天动力学的基础.开普勒定律给出了行星 (也适用于航天器)轨道运动规律的运动学描述,牛 顿力学则是对这种轨道运动规律给出了动力学意义 下的解释.开普勒定律可以用牛顿力学得到严格证 明.从哥白尼的日心地动说的提出到牛顿力学的建 立是人类认识宇宙的第一次飞跃[1]. 二体问题是天体力学中的一个基本问题,它是 ? 1 ?
航天器总体设计答案总结(新)
航天器总体设计 （无平时成绩，考试试卷满分制，内容为21题中抽选13题） 1、航天器研制及应用阶段的划分。 主要划分为工程论证、工程研制、发射、在轨测试与应用四个阶段。 1）工程论证阶段：开展任务分析、方案可行性论证工作。 2）工程研制阶段：包括方案设计阶段、初样设计与研制阶段、正样设计与研制阶段。 3）发射阶段：发射场测试及发射。 4）在轨测试与应用阶段：在轨测试阶段、在轨应用阶段。 2、航天工程系统的组成及各自的任务。 组成：航天工程系统是由航天器、航天运输系统、航天发射场、航天测控网、应用系统组成的完成特定航天任务的工程系统。 任务： 1）航天器：指在地球大气层以外的宇宙空间执行探索、开发和利用太空以及地球以外天体的特定任务飞行器，又称空间飞行器。 2）航天运输系统：指在地球和太空之间或在太空中运送航天器、人员或物资的飞行器系统，包括运载器、运输器、轨道机动飞行器和轨道转移飞行器等。 3）航天发射场：系指发射航天器的基地，包括测试区、发射区、发射指挥控制中心、综合测量设施、勤务保障设施等。 4）航天测控网：系指对航天运输系统、航天器进行跟踪、测量、监视、指挥和控制的综合系统，包括发射指挥控制中心、测控中心、航天指挥控制中心、测控站和多种传输线路及设备。 5）应用系统：系指航天器的用户系统，一般是地面应用系统，如各类应用卫星的地面应用系统、载人航天器的地面应用系统、空间探测器的地面应用系统。 3、航天器总体设计概念及主要阶段划分。 概念：航天器总体设计是指为完成航天任务规定的目标所开展的以航天器为对象的一系列设计活动。 主要阶段划分：主要分为任务分析、总体方案可行性论证、总体方案设计、总体详细设计四个阶段。总体详细设计又分为总体初样设计和总体正样设计。 4、航天器总体设计的基本原则。 满足用户需求的原则、系统整体性原则、系统层次性原则、研制的阶段性原则、创新性和继承性原则、效益性原则。 5、航天器技术从成熟程度上可分为哪四类技术，各自的含义。 1）成熟技术：已经过在轨飞行考验，沿用原有的分系统方案、部件、电路和结构。 2）成熟技术基础上的延伸技术：在成熟技术基础上需要进行少量修改设计的分系统方案、部件、电路和结构。 3）不成熟技术（关键技术）：必须经过研究、生产和试验（攻关）后才能在卫星上应用的技术。 4）新技术（关键技术）：尚未在卫星上使用过的技术。 6、航天器总体方案设计阶段的主要工作。 1）用户使用要求及技术指标要求的确定。 2）总体方案的确定。 3）总体技术指标的分析、分配及预算。 4）分系统方案及技术指标的确定。
航天器机构技术课程大作业
数字化设计技术在航天器机构技术中的作用 数字化设计技术是指将计算机技术应用于产品设计领域，属于计算机设计技术的一种辅助。它最开始是以计算机辅助设计，即CAD的形式显现出来的，在科技水平不断提升的带动下，数字化设计技术越来越成熟，它在越来越多的行业受到人们的欢迎，在机械设计方面的优势更为明显。以前设计师在进行机械相关的设计工作时都离不开实物模型的帮助，但是在数字化设计技术出现之后，它可以利用计算机技术建立数字化的模型，从而降低实物模型的使用频率，提高了工作效率。 数字化设计技术最为重要的特征就是产品的定义模型较为统一。任何一个产品都有生命周期，如开发期、成长期、成熟期、衰退期等等，数字化设计技术对于产品的每个生命周期都有相关的设计，都是统一运行的。这种统一的设计模式大大降低了产品设计的繁琐程度，使得产品设计流程更为简单化。因为传统的设计模式会针对处于不同生命周期的产品采取不同的设计方法，使得产品设计变得复杂，而且也容易丢失数据。 另外，数字化设计技术可以实现并行设计。传统的产品设计讲究的是设计的切合性，产品的生产制造程序与包装维修程序需要达到高度的一致性，因此同一产品的设计基本上都是由同一设计团队完成。因此，传统的设计方法对于设计师的依赖性较强，一旦设计团队出现分
裂问题，则产品的设计链条很容易受到影响，从而产品的质量也难以保证。但是数字化的设计技术可以实现并行设计，简单而言，就是多个设计团队可以在同一时间内，在不同的地方，共同设计某一产品。这样一来，不仅仅是提高了机械的生产效率，另一方面也能够大大的缩短相关产品的生产周期，降低了运行成本。 数字化设计技术在航天器机构技术中的作用主要体现在以下几个 方面：一是借助实体模型检测设计的规范性。对于一个资历高深的设计师而言，以三维软件为依托设计相关产品是极为简易的事情，阐述各类三维模型之间的关系上传统二维思维模式并不适应。在CAD技术 的协助下，在制造一些单件产品过程中，设计师将更多的精力投入进产品规格规范性与结构合理性检测方面上，从而确保产品安装程序运行的顺畅性。CAD技术的具体应用可以做出如下概述：借助CAD技术参照平面图形注释的规格，借用立体图形将它们呈现出来，与此同时借用CAD的渲染功能，修整三维模型的材质或者对其内容进行填补，同 时对特殊方位安设色彩与光源，继而把绘制好的不同零部件三维图，在CAD三维软件上进行“配置与组装”，然后选择润色这一命令制造 工序结束以后的样品相貌就可以在计算机荧屏上显现出来。在利用CAD软件对设计机械进行构造设计、结构部件调整、尺寸标注以方便 机械设备的生产加工和日常维修，成为现代机械尤其是一些结构复杂、设计精密、部件繁多的航天机械设计一种流行趋势，对现代机械设计的发展起着至关重要的作用。例如在借用C A D三维软件上进行“配 置与组装”过程中，在CAD技术的协助下，产品链接、结构等方面存
航空概论大作业
航空概论大作业
班级：113072 学号:111307219 姓名：王志敏 2012年11月15日 我国航空工业的发展历程及对未来发展的设想 中国是世界文明古国，中国的风筝和火箭是世界公认的最古老的飞行器。灿烂的中国古代文化与其他国家文明一起，共同孕育了现代航空航天技术的萌芽。在近代中国的屈辱历史中，我国的工业化水平远落后于西方国家。新中国成立后，我国的航空航天工业开始快速发展。经过半个多世纪的努力，基本建成了我国的航空航天工业体系。航空航天工业在国防和经济建设中发挥着越来越重要的作用。“飞豹”战斗轰炸机和“神舟”号系列载人试验飞船的成功，标志着我国航空航天工业进入了一个新的发展时期 我国航空工业真正起步于清政府(即1910年)。从1910年到1949年中国一直处于动乱和战争时期，这时期所有的原材料，机载成品和设备几乎全部依赖外国进口，更没有与之相关的科研人员和技术师，维修人员也很缺乏。根本没有独立的航空工业，更谈不上航空科研体系。 新中国成立之后，1949年到1951年中国只有少量设备相当简陋的航空工厂，修理、装配和制造过少量飞机。1951年国家将航空工业体系建立纳入国家议程，中央军委和政务院颁发了《关于航空工业建设的决定》，对新中国航空工业建设的任务方针、组织领导等做出了明确规定。经过50余年的建设，我国航空工业从修理到制造，从仿制到自行研制，已经形成了具有相当规模和基础，配套齐全的航空科研设计，制造和试验的工业体系。
50多年来，我国先后建立了飞机发动机航空电子军械设备，仪表等专业设计研究机构，建立了空气动力，强度，自动控制，材料，工艺，试飞和计算技术等专业研究试验机构。我国航空工业科研的技术手段不断更新，试验设备日臻完善，已建成一批技术先进的风洞试验设施，飞机全机静力试验室，发动机高空试车台，飞行试验实数据采集和处理系统等设备。 由于航空工业体系的发展和日臻完善，我国在军用飞机，民用飞机，直升机等各种类型的机种都迅猛向世界各类先进机种靠近。 军用机从最初的仿制苏联的雅克-18飞机生产初级教练机，到自行设计并研制成功的第一架飞机歼教1。它的研制成功对培养我国第一代飞机设计人员积累自行研制飞机的经验具有重要的意义。此后我国第一架喷气式战斗机歼5诞生，这是一种高亚声速歼灭机，使我国的航空工业和空军进入喷气时代。歼6飞机是我国第一代超音速战斗机，歼7和歼8等在其基础上不断更新改进和提高。歼10战斗机是我国自行研制的具有完全自主知识产权的第三代战斗机。轰5、轰6、水轰5、飞豹等轰炸机，枭龙FC-1型轻型多用途战斗机，使我国飞机不仅在数量上有所增加，在种类上也不断增多，这也说明我国航空工业不但在技术上不段更新和创新，在研制飞机种类上也不放松，两者齐头并进 民用飞机运5飞机是新中国制造的第一架小型运输机，之后“北京”一号、运7、运8等不断更新。直升机如直5、直8、直9、直11、“延安”2号、“701”型等种类多样。可以看出我国航空工业生产的飞机不仅能够保家卫国，固守我国疆域，而且越来越多的可以进入民用，为人民服务。在运输，邮递，救护，搜索，抗震救灾，护林播种等方面也发挥着越来越重用的作用，甚至是不可替代的。我国航空工业从最开始的标志性研制和研发，到现在在经济上发挥作用，促进经济发展，已经体现出了其巨大的经济价值和潜力。 随着我国航空工业体系的完善，越来越多的航空人才培养诞生。我国在先进战斗机发展方面，也可以与美国，俄国，欧洲等国家相互竞争。随着科技发展越来越先进，各国之间的竞争与合作越来越紧密，航空工业的发展也越来越重要。未来航空工业的发展实际就是科技的发展。空气动力学的研究，推进技术的创新，材料和结构的研制，航空电子与控制等的发展与进步是航空工业进步的基础。 展望未来，如何提高未来飞机的性能，空气动力学一直是航空器设计的考虑的关键。计算流体力学（CFD）仍是研究重点，欧拉和N-S方程的数值求解与网络生成技术备受关注，低雷诺数空气动力学，仿生空气动力学等流动现象的研究将仍是未来的前沿课题。 推进技术方面，提高热机和推进效率，降低燃油消耗，提高推力级，降低噪声，增加可靠性，减少排放。今后一段时间仍是发展的目标。组合发动机，超燃冲压发动机，脉冲爆震发动机以及其他新概念或非常规发动机的原理研究也是这一领域的重点。 材料和结构方面，金属材料仍然是今后飞机机体的主要用材，因而在不降低现有材料寿命的条件下提高材料的比刚度，韧性和抗腐蚀能力，同时也要开展比强度更高的新材料研制与开发。研究和发展实用的复合材料结构的设计，分析，制造，检验和修理方法；研究和发展复合材料的损伤容限机理和实用的无侦探伤技术；研究和开发耐高温树脂材料，陶瓷基复合材料，智能结构材料等。 航空电子与控制方面，利用各种来源的导航信息，实施航迹的跟踪与管理。为实现全天候起降，要建立可靠的防撞系统。研制新的风切变探测装置及其回避系统。在座舱显示系统方面要增加显示信息和数据，增加实景画面，利用语音控制来提高飞行员的操作正确性。 我国未来的航空工业发展是以人才为基础进行创新和革新，在高端新科技上我们有自己的技术和研究方法，在经济上能作出巨大贡献，生产更多民用飞机走进千家万户。 同时在中国面临的严峻的战略形势下，航空工业的发展显得与为重要。 航空器与航天器的分类
实验一 航天器轨道计算
实验一航天器轨道要素与空间位置关系 一、实验目的 1.了解航天器轨道六要素与空间位置的关系。 2.掌握航天器轨道要素的含义。 二、实验设备 安装有Matlab的计算机。 三、实验内容 1．实验原理 航天器的六个轨道要素用于描述航天器的轨道特性，有明显的几何意义。它们决定轨道的大小、形状和空间的方位，同时给出航天器运动的起始点。这六个轨道要素分别是： ①轨道半长轴(a)：它的长度是椭圆长轴的一半，可用公里或地球赤道半径或天文单位为单位。根据开普勒第三定律，半长轴与运行周期之间有确定的换算关系。 ②轨道偏心率(e):为椭圆两焦点之间的距离与长轴的比值。偏心率为0时轨道是圆;偏心率在0～1之间时轨道是椭圆,这个值越大椭圆越扁；偏心率等于1时轨道是抛物线;偏心率大于1时轨道是双曲线。抛物线的半长轴是无穷大,双曲线的半长轴小于零。 ③轨道倾角(i)：轨道平面与地球赤道平面的夹角，用地轴的北极方向与轨道平面的正法线方向之间的夹角度量，轨道倾角的值从0°～180°。倾角小于90°为顺行轨道，卫星总是从西(西南或西北)向东(东北或东南)运行。倾角大于90°为逆行轨道，卫星的运行方向与顺行轨道相反。倾角等于90°为极轨道。 ④升交点赤经(Ω):它是一个角度量。轨道平面与地球赤道有两个交点，卫星从南半球穿过赤道到北半球的运行弧段称为升段，这时穿过赤道的那一点为升交点。相反，卫星从北半球到南半球的运行弧段称为降段，相应的赤道上的交点为降交点。在地球绕太阳的公转中，太阳从南半球到北半球时穿过赤道的点称为春分点。春分点和升交点对地心的张角为升交点赤经,并规定从春分点逆时针量到升交点。轨道倾角和升交点赤经共同决定轨道平面在空间的方位。
飞行器结构动力学-期末考试(大作业)题目及要求
《飞行器结构动力学》 2019年-2020年第二学年度 大作业要求 一、题目： 1.题目一：请围绕一具体动力学结构，给出其完整的动力学研究报告， 具体要求： （1）作业最终上交形式为一个研究报告。 （2）所研究结构应为实际科学发展或生产生活中的真实结构，可对其进行一定程度的简化，但不应过分简化，不可以为单自由度 系统，若为多自由度系统，其自由度应不少于5。 （3）所研究内容应当围绕本学期所讲授的《飞行器结构动力学》课程内容展开，可以包含但不限于：不同研究方法的对比，对结 构动力学响应的参数影响研究，针对结构动力学响应的结构优 化设计，动力学研究方法的改进，结构动力特性影响机理分析 等。 （4）研究报告应至少包含8部分内容：摘要，关键词，引言，问题描述，分析方法，研究结果，结论，参考文献等，正文字号为 小四，1.5倍行距，篇幅不短于3页，字数不少于1500字。 2.题目二：请拟出一份《飞行器结构动力学试卷》并给出正确答案和评 分标准，具体要求： （1）作业最终上交形式为一份考试卷答案及评分标准，具体形式及格式参考附件。 （2）题目应当围绕本学期所讲授的《飞行器结构动力学》课程内容展开，且明确合理无歧义。 （3）卷面总分100分。其中，考察单自由度系统知识点题目应占总分值的30%~40%；考察多自由度系统知识点题目应占总分值的 15%~30%；考察连续弹性体系统知识点题目应占总分值的 15%~30%。考察结构动力学的有限元方法及数值解法占
15%~30%。 （4）试卷可以包含的题目类型为：单选题，填空题，简答题和计算题四类，题目类型应不少于2种，不多于这4种。其中计算题 为必含题目，且分值应不少于40%。 （5）每道题均应给出分值、标准答案和评分标准。 分值的安排应当合理并清晰，需针对每道具体题目给出。 标准答案应当正确无误，且清晰明确，包含整个分析或计算的流程步骤。针对概念或问答等类型题目，应当给出该问题及 答案的来源，并附图以证实。针对计算类型题目，应给出至少 两种不同计算方法及其相应的计算步骤和结果，以证实该结果 的正确性。 评分标准应当合理并清晰地给出标准答案和分值的对应关系，例如：填空题应给出每一空格的分值；简答题应细化给出 题目内所有的关键内容，并给出所有关键内容各自所对应的评 判标准及分值；计算题应依据计算步骤给出每一关键步骤对应 的评判标准及分值。 二、要求 1.大作业题目有两道，请自选其一完成。 2.大作业上交截止时间为2020年6月2日晚12点，逾期则认定为缺考 无成绩。 3.大作业评定分为5个等级，分别为：优（90~100分），良（80~90分）， 中等（70~80分），及格（60~70分）和不及格（60分以下）。其中由于 题目难易关系，若无抄袭情况出现，选择题目一的学生可以寻求任课 老师指导，且等级至少为良。 4.抄袭判定：上交作业若出现重复率超过30%情况则判定为抄袭，有7 天时间可以修改，修改后若仍旧为抄袭，则涉及学生均按照不及格处 理。 5.大作业相关参考资料见附件。
航天概论大作业
航天技术概论大作业 第二章 1.大气层分几层？各层有什么特点？ 答：大气层共有对流层，平流层，中间层，热层和散逸层5个层次。 （1）对流层主要特点：气温随高度升高而降低；风向、风速经常变化；空气上下对流剧烈；有云、雨、雾、雪等天气现象。 （2）平流层主要特点：空气沿铅垂方向的运动较弱，因而气流比较平稳，能见度较好。 （3）中间层主要特点：气温随高度升高而下降，且空气有相当强烈的铅垂方向的运动。 （4）热层主要特点：空气密度极小，温度随高度增高儿上升。 （5）散逸层主要特点：空气极其稀薄，大气分子不断向星际空间逃逸。 2.什么是国际标准大气？
答：国际标准大气是由国际性组织（如国际民用航空组织、国际标 准化组织）颁布的一种“模式大气”，它依据实测资料，用简化方程近似地表示大气温度、密度和压强等参数的平均铅垂分布，并排列成表，形成国际标准大气表。 3.大气的状态参数有哪些？ 答：大气的状态参数是指它的压强P 、温度T 、密度ρ这三个参数。 对一定数量的气体，这三个参数就可以决定它的状态。它们之间的关系，可用气体状态方程表示，如下 RT ρ=P 4.什么是大气的粘性？ 答：大气的粘性是空气在流动过程中表现出的一种性质，主要是由 于气体分子作不规则运动的结果。 5.何谓声速与马赫？ 答：声速是指声波在物体中传播的速度。空气被压缩的程度与声 速成反比，与飞机飞行速度成正比，要衡量空气被压缩程度 的大小，就用马赫Ma 来表示，a v M a =。 6.什么是飞行相对原理？ 答：在实验研究和理论分析中，往往采用让飞机静止不动，而空气 以相同的速度沿相反的方向流过飞机表面，此时在飞机上产生的空气动力效果与飞机以同样的速度在空气中飞行所产生的空气动力效果完全一样，这就是飞行“相对运动原理”。 8.低速气流和超声速气流的流动特点有何不同？
航天器轨道力学实验一
实验一卫星轨道参数仿真 一、实验目的 1、了解STK的基本功能； 2、掌握六个轨道参数的几何意义； 3、掌握极地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道等典型轨道的特点。 二、实验环境 卫星仿真工具包STK 三、实验原理 （1）卫星轨道参数 六个轨道参数中，两个轨道参数确定轨道大小和形状，两个轨道参数确定轨道平面在空间中的位置，一个轨道参数确定轨道在轨道平面内的指向，一个参数确定卫星在轨道上的位置。 ? 轨道大小和形状参数： 这两个参数是相互关联的，第一个参数定义之后第二个参数也被确定。 第一个参数第二个参数 semimajor axis 半长轴Eccentricity 偏心率 apogee radius 远地点半径perigee radius 近地点半径 apogee altitude 远地点高度perigee altitude 近地点高度 Period 轨道周期Eccentricity 偏心率 mean motion平动Eccentricity 偏心率
图1 决定轨道大小和形状的参数 ?轨道位置参数： 轨道倾角（Inclination）轨道平面与赤道平面夹角 升交点赤经（RAAN）赤道平面春分点向右与升交点夹角 近地点幅角（argument of perigee）升交点与近地点夹角 ?卫星位置参数： 表1 卫星位置参数 （2）星下点轨迹 在不考虑地球自转时，航天器的星下点轨迹直接用赤经α、赤纬δ表示（如图2）。直接由轨道根数求得航天器的赤经赤纬。
图2 航天器星下点的球面解法 在球面直角三角形SND 中： ?? ???+==??+Ω=+==)tan(cos tan cos tan )sin(sin sin sin sin f i u i f i u i ωαα αωδ （1） 由于地球自转和摄动影响，相邻轨道周期的星下点轨迹不可能重合。设地球自转角速度为E ω，t 0时刻格林尼治恒星时为0G S ，则任一时刻格林尼治恒星时G S 可表示成： )(00t t S S E G G -+=ω （2） 在考虑地球自转时，星下点地心纬度? 与航天器赤纬δ仍然相等，星下点经度（λ）与航天器赤经α的关系为： ???=---=-=δ ?ωααλ)(00t t S S E G G （3） 将（1）代入上式，得到计算空间目标星下点地心经纬度()?λ,的公式，即空间目标的星下点轨迹方程为： ? ???=---?+Ω=)sin arcsin(sin )()tan arctan(cos 00u i t t S u i E G ?ωλ （4） 其中? 为星下点的地理纬度，λ 为星下点的地理经度，u 是纬度幅角，ωE 为地球自转角速度。由（4）中的第二式可知，i =90?时，? 取极大值?max 。i =-90?时，? 取极小值
航空概论大作业
航空概论期末大作业 班级： 学号： 姓名： 日期：年月日
①纵观我国航空的发展历程，试阐述对我国航空工业未来发展的设想。（60分） 回首过往，展望未来---中国航空业 中国是世界文明古国，中国的风筝和火箭是世界公认的最古老的航空器。但在近代中国的屈辱历史中，我国的工业化水平远落后于西方国家。新中国成立后，我国的航空工业开始快速发展。经过半个多世纪的努力，基本建成了我国的航空工业体系，如今它在我国的国防和经济建设中发挥着越来越重要的作用。 从1910年清政府开始筹办飞机修造厂到1949年，旧中国只有十多个设备相当简陋的航空工厂，修理、装配、设计和制造过少量飞机。当时所有原材料、机载成品和设备均依赖国外进口，根本没有自己独立的航空工业，更谈不上航空科研体系。 尽管总体上我国的航空工业业与发达国家之间还存在较大差距，但50多年来，我国先后建立了飞机、发动机、航空电子、军械武器、仪表等专业设计研究机构。我国航空科研的技术手段不断更新、实验设备日臻完善，已建成了一批技术先进的风洞试验设施、飞机全机静力实验室、发动机高空模拟试车台和飞机试验实时数据采集和处理系统等。 我国航空工业的产品主要有军用飞机、民用飞机、战术导弹、航空发动机、机载设备和以各种机动车为主的民用产品。 1．军用飞机在抗美援朝战争中诞生的我国航空工业，初期阶段主要承担修理军用飞机以保障战争需要的紧迫任务。到1952年底，修理各型飞机470多架，发动机2600多台，有力地支援了抗美援朝战争。1953年开始的第一个五年计划期间，我国的航空工业在苏联的援助下进行建设。新中国第一架试制成功的飞机是仿制苏联的雅克-18飞机生产的初级教练机。该机命名为初教5。它们全部交付部队使用，为我国训练和培养早期飞行员做出了很大贡献。新中国自行设计并研制成功的第一架飞机是歼教1，它于1958年7月26日首飞成功。我国自行设计制造并投入成批生产和装备部队的第一种飞机是初教6，改飞机性能比初教5有所提高，采用前三点式起落架以适应现代飞机的训练要求。我国第一架喷气式战斗机是歼5型飞机，这是一种高亚音速歼击机，用于国土防空和争夺前线制空权，兼有一定的近距对地攻击能力，是当时世界上比较先进的战斗机。歼6飞机是我国第一代超声速战斗机，最大平飞速度达到声速的1.4倍，机身头部进气，装两台发动机，采用大后掠角机翼和全动式水平尾翼。在歼6飞机成批生产和装备部队后，我国的第二代超声速战斗机也研制成功，包括歼7和歼8系列。歼7和歼8都是高空高速歼击机，在飞行性能、飞行品质、救生系统、武器系统、机载电子设备和发动机性能方面都比歼6有明显改进和提高。歼8飞机是我国自行设计制造的战斗机，于1969年7月5日首飞，1980年设计定型并开始交付空军使用。歼8的空气动力布局与歼7类似，但更突出高空、高速性能，装两台涡喷七甲发动机。歼10战斗机是我国自行研制的具有完全自主知识产权的第三代战斗机，分单座、双座两种，性能先进，用途广泛，实现了我国战斗机从第二代到第三代的历史性跨越。轰5是我国自行改进设计的轻型轰炸机，1966年9月25日首飞成功，第二年正式批量生产，有轰5鱼雷型和特种武器试验机、轰侦5和轰教5等型号。轰6是我国研制的高亚声速中型轰炸机，它还被成功改装为空中加油机，采用插头锥管式空中加油方式，可同
航天器机构技术与应用课程考试作业
航天器机构技术与应用课程考试作业 总体要求：可任意选择下面作业1-作业3的其中任意1项作为课程考试作业，每个作业最多不超过3人组成设计分析团队，但要求每人在团队中承担独立工作，并且根据各自独立负责的工作内容形成个人课程报告，并且在2018年11月30日前提交。 ●作业1： 参考图1，调研隼鸟2号小行星探测的MASCOT着陆器相关文献资料，假设小行星物质密度为2g/cm3，形状近似假设为圆球形。设计MASCOT着陆器从卫星本体释放分离机构并进行释放分离与着陆动力学仿真，形成课程报告。 ●作业2： 参考图1，调研隼鸟2号小行星探测的MASCOT着陆器相关文献资料，假设小行星物质密度为2g/cm3，形状近似假设为圆球形。设计MASCOT着陆器在小行星上移动机构并进行移动过程动力学仿真，形成课程报告。
图1 隼鸟2号MASCOT着陆器 作业3： 已知一航天器由两个舱段组成，依靠4个连接解锁装置实现舱段间的连接，在轨运行一段时间后，按预定飞行程序，4个连接解锁装置解锁，然后通过布置在对接面的4个弹簧分离推杆实现两个段在轨分离。 请根据以下给定条件，对舱段间的分离弹簧进行参数设计，并对分离过程进 行仿真分析。 （1）航天器组合体示意如图1所示，4个弹蓄分离推杆在段对接面上的安装 位置如图2所示
图1 图2 （2）舱段A、B在分离时刻的质量特性分别见表1和表2。 表1 舱A分离时刻质量特性 表2舱B分离时刻质量特性 （3）4个弹簧分离推杆最多允许采用两种规格，每个弹簧分离推杆的作用行程20mm； （4）分离性能指标要求如下： a、相对分离速度：0.5±0.1m/s； b、完全分离时刻两舱相对姿态角：不超过3°； c、完全分离时刻两舱相对姿态角速度：不超过2.5°/s。
航天器姿态动力学与控制大作业(2A)基于伪速率控制器的喷气姿态控制系统的仿真与分析
基于伪速率控制器的喷气姿态控制系统的仿真与分析—航天器姿态动力学与控制大作业（2A）
一、任务描述 目的：设计基于伪速率控制器的喷气姿态控制系统并进行仿真与分析 基本内容： (1)建立三轴稳定对地定向航天器的姿态动力学和姿态运动学模型； (2)设计基于伪速率控制器的喷气姿态控制系统； (3)完成数学仿真。 具体要求 (1)建立对地定向刚体航天器的三轴稳定姿态动力学和姿态运动学模型。 ，， ，， 设航天器在圆轨道上运行，轨道角速度 要求姿态动力学动力学采用欧拉方程，姿态运动学模型采用zyx顺序欧拉角的姿态运动学方程； (2)姿态推力器的数学模型为理想的继电器特性姿态推力器的标称推力为10N，在各轴上的力臂分别为1m、1.5m和2m。 (3)要求姿态角控制精度：优于0.5deg。 (4)不考虑姿态角速率的测量误差，试设计伪速率控制器，要求实现最小脉冲宽度(30ms)。给出数学仿真结果。绘出控制过程的相轨迹图，及性能指标(如极限环的速度等)，估算燃料消耗率。并体会姿态动力学模型的三轴耦合对控制过程是否有影响。 (5)设卫星在三轴方向受到常值的气动干扰力矩，分别为 ，， 试设计伪速率喷气控制器，要求能实现最长周期的单边极限环。给出数学仿真结果。 绘出控制过程的相轨迹图，及性能指标(如极限环的速度等)，试估算此时的燃料消耗率。
二、喷气系统与推力器布局的选择 喷气姿态控制系统框图 典型的6+2斜装小推力配置的推力器布局图
三、建模原理 2.1 姿态动力学方程 考虑在圆轨道上飞行的对地定向航天器，姿态角和姿态角速率较小，惯量积远小于主惯量，简化后的三轴耦合的姿态动力学方程如下 又考虑到轨道角速度较小，且推力器产生的推力器控制矩较大的情况下，忽略发动机偏心产生的干扰力，不考虑三轴耦合，简化的姿态动力学方程如下 其中，，为推力器产生的控制力矩在星体三轴上的分量，，，为卫星在三轴方向受到常值的气动干扰力矩。 2.2 姿态运动学模型 采用zyx旋转，考虑到航天器在圆轨道上运行，姿态角与姿态角速率都较小的情况，简化后的姿态运动学模型如下 2.3理想继电器特性 理想的继电器喷气控制系统具有理想的开关特性，控制方程为： 2.4 最长周期单边极限环 在进行极限环设计时，为了达到最长时间的单边极限环，需要不断地调整喷气时间。最长周期单边极限环如下图中曲线②所示
航天器控制原理
航天器控制原理自测试题一 一、名词解释（15％） 1、姿态运动学 2、惯性轮 3、姿态机动控制 4、空间导航 5、空间站的姿态控制 二、简答题（60％） 1、航天器按载人与否是如何分类的？各类航天器的作用和特点是什么？请举出你所知的各类航天器的国内外的例子。 2、开普勒三大定律是什么？牛顿三大定律是什么？ 3、分析描述航天器姿态运动常用的参考坐标系之间的相对关系。 4、画出航天器控制系统结构图并叙述其原理。 5、液体环阻尼器有什么特点，适用于什么场合？ 6、写出卫星姿态自由转动的欧拉动力学方程。 7、主动姿态稳定系统包括哪几种方式？ 8、推力器的工作时间为什么不能过小？ 9、简述导航与制导系统的功能，及其为实现此功能而必须完成的工作。 10、载人飞船在结构上较一般卫星有什么特点？ 三、推导题（15％） 1、利用牛顿万有引力定律推导、分析航天器受N体引力时的运动方程，并阐述简化为二体相对运动的合理性。8% 2、推导Oxyz和OXYZ两坐标系之间按“1-2-3”顺序旋转的变换矩阵和逆变换矩阵，并在小角度假设下予以线性化。7%
四、计算题（10％） 1. 已知一自旋卫星动量矩H=2500Kg·m2/s，自旋角速度为ω=60r/min，喷气力矩 Mc=20N·m，喷气角为γ=45。，要求自旋进动θc=90。。问喷气一次自旋进动多少？总共需 要多少次和多长时间才能完成进动？ 航天器控制原理自测试题一答案 一、名词解释（15％） 1、姿态运动学 答：航天器的姿态运动学是从几何学的观点来研究航天器的运动，它只讨论航天器运动的几何性质，不涉及产生运动和改变运动的原因 2、惯性轮 答：当飞轮的支承与航天器固连时，飞轮动量矩方向相对于航天器本体坐标系Oxyz不变，但飞轮的转速可以变化，这种工作方式的飞轮通常称为惯性轮。 3、姿态机动控制 答：姿态机动控制是研究航天器从一个初始姿态转变到另一个姿态的再定向过程。如果初始姿态未知，例如当航天器与运载工具分离时，航天器还处在未控状态；或者由于受到干扰影响，航天器姿态不能预先完全确定，那么特地把这种从一个未知姿态或者未控姿态机动到预定姿态的过程称为姿态捕获或对准。 4、空间导航 答：航天器轨道的变化也称为空间导航，包括轨道确定和轨道控制两个方面，由导航与制导系统完成。 5、空间站的姿态控制 答：空间站姿态控制分为姿态稳定和姿态机动两部分。姿态稳定又分为两种情况：第一种情况为对地球指向稳定，主要为与地面通信联系和有关的数据传递提供稳定姿态。第二种情况，姿态控制精度由有效载荷或者在空间站进行的有关实验提出，此种精度要求视有效载荷和实验研究的不同而不同。 二、简答题（60％） 1、航天器按载人与否是如何分类的？各类航天器的作用和特点是什么？请举出你所知的各类航天器的国内外的例子。
航天器的姿态与轨道最优控制
航天器的姿态与轨道最优控制 董丽娜唐晓华吴朝俊司渭滨(第八小组) （西安交通大学电气工程学院，陕西省，西安市 710049） 【摘要】从航天器的轨道运动学方程出发, 运用线性离散系统最优控制理论, 提出了一种用于航天器轨道维持与轨道机动的最优控制方法, 建立了相关的最优控制模型并给出了求解该模型的算法。仿真计算结果表明, 本文提出的最优控制方法是正确和可行的。 【关键词】航天器轨道保持轨道机动最佳控制 Optimal Control of Spacecraft State and Orbit Dong LiNa，Tang XiaoHua，Wu ChaoJun，Si WeiBin （EE School of Xi’an Jiaotong university，Xi’an, Shannxi province, 710049）【Abstract】This paper provides a new optimal control method for orbital maintenance and maneuver ,which begins with the kinetics equation of spacecraft and is based on the linear discrete optimal control theory , establishes the relative optimal control model and gives its solution. The simulation results show that the given optimal control method in this paper is correct and feasible. 【Key word】Spacecraft ，Orbital keeping ，Orbital maneuver ，Optimal control 1 引言 一般地,常见的航天器有:运载火箭、人造卫星、载人飞船、宇宙飞船、空间站等。宇宙飞船也称太空飞船，它和航天飞机都是往返于地球和在轨道上运行的航天器（如空间站) 。
机电智能控制工程》大作业
智能控制及装备概述 摘要：本文对智能控制的发展历史进行回顾，并简要介绍智能控制的性能与特点，以及相对于传统控制的优势，列举了智能控制中常用的算法，包括模糊控制、基于知识的专家控制、神经网络控制和集成智能控制和基于遗传算法和迭代的学习控制等。结合智能控制现状分析，预测了智能控制未来发展的主要趋势以及应用领域。另外，结合智能装备的发展现状以及德国“工业4.0”和中国制造2025介绍未来制造装备发展情况。最后，结合汽车主动悬架系统智能控制进行介绍，结合模糊单神经控制算法实现不同路面的减震控制。 关键字：智能控制发展现状发展历史智能装备主动悬架系统 1.智能控制的发展概况 智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、信息论、系统论、仿生学、进化计算和计算机等多种学科的高度综合与集成，是一门新兴的边缘交叉学科。智能控制是当今国内、外自动化学科中的一个十分活跃和具有挑战性的领域，代表着当今科学和技术发展的最新方向之一。它不仅包含了自动控制、人工智能、系统理论和计算机科学的内容，而且还从生物学等学科汲取丰富的营养，正在成为自动化领域中最兴旺和发展最迅速的一个分支学科。 对于智能制造的定义，斯坦福大学人工智能研究中心的Nilsson教授认为，人工智能是关于知识的科学，是怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学；MIT的Winston教授指出：人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才做的智能性工作。一个系统如果具有感知环境、不断获得信息以减小不确定性和计划、产生以及执行控制行为的能力，即称为智能控制系统。智能控制技术是在向人脑学习的过程中不断发展起来的，人脑是一个超级智能控制系统，具有实时推理、决策、学习和记忆等功能，能适应各种复杂的控制环境；Saridis认为智能控制系统是通过驱动自主智能机来实现其目标而无需操作人员参与的系统；傅京孙把智能控制概括为自动控制（AC，Automatic Control）和人工智能（AI，Artificial Intelligent）的交集，即：IC=AI∩AC；萨里迪斯等人于1977年从机器智能的角度出发，对傅的二元交集论进行了扩展，提出三元交集的智能控制概念，即把智能控制看作为人工智能、自动控制和运筹学的交点。即：IC=AI ∩CT∩OR式中，CT为控制论（Cybernetics Theory），OR为运筹学（Operation Research）。表达了智能增加而精度降低这一著名原则。下图为智能控制的二元结构与三元结构。 图1智能控制的二元结构和三元结构 智能控制是人们要求越来越高的控制性能和针对被控系统的高度复杂化，高度不确定性的情况下产生的，是人工智能渗入到应用科技领域的必然结果。并在常规控制理论的基础上得到进一步的发展和提高。进入21世纪以来，人类在智能控制理论方面的飞
轨道力学分析
轨道力学分析 2007-05-25 00:00:00 来源：中华铁道网 轨道力学分析（mechanicalanalysisoftrack）以保证列车行车安全、舒适和延长轨道设备使用寿命为出发点，分析轨道结构在机车车辆作用下的受力和变形，以及轨道结构病害对轨道破坏及列车运行的影响，为设计轨道结构，制定轨道管理标准提供依据。 轨道结构承受机车辆的荷载，并在列车荷载反复作用下，逐渐改变轨道的几何尺寸（如轨距、水平、方向、高低、三角坑等几何形位），也称轨道变形，形成轨道不平顺。这种不平顺会影响行车平稳和旅客舒适，甚至会造成脱轨等，影响安全运行，并加速轨道状况变坏。因此，轨道的设计、养护和维修都需要进行力学分析。 尽管铁路运营已有100多年的历史，但轨道设计方法实质上还是静力强度设计。到目前为止，轨道设计还是根据钢轨承受的轴重用弹性点支承或连续支承梁模型计算出钢轨位移、弯矩及轨枕压力，再乘以反映动力影响的速度系数、偏载系数及横向水平力系数，就得到选择和设计钢轨、轨枕、道床和路基的依据。 列车向高速和重载发展对机车车辆和线路结构都提出了更高的质量要求。要求机车车辆具有低动力作用、轨道结构具有良好的减振和隔振公能、车轮和轨道具有良好的平顺性。解决上述问题的根本途径于进行接轨系统的动力分析，分析轨道不平顺引起的动力响应，优化轨道结构各部件的动力参数，使轨道结构各部件相互匹配协调，具有良好的动力特性、较强的抗振抗冲击性能，并制定合理维修标准，减少与严格控制轨道结构的不平顺引起的动力响应。为此，近年来轨道动力学的研究比较活跃，并有较大的进展。参见轨道计算参数，轨道竖向静力分析，轨道准静态计算，钢轨强度检算，轨枕强度检算，道床及路基顶面的强度检算，轨道横向静力分析，脱轨，轨道动力学及桥上无缝线路。