航天器飛行原理課件

2.5航天器飛行基本原理2.5航天器飛行基本原理2.5.1開普勒三大定律第一定律：所有行星繞太陽的運(yùn)動軌道都是橢圓，而太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。太陽行星軌道2.5航天器飛行基本原理2.5.1開普勒三大定律第一定律：所有行星繞太陽的運(yùn)動軌道都是橢圓，而太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。第二定律：在相等的時(shí)間內(nèi)，行星與太陽的連線所掃過的面積相等。太陽行星軌道2.5航天器飛行基本原理2.5.1開普勒三大定律第一定律：所有行星繞太陽的運(yùn)動軌道都是橢圓，而太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。第二定律：在相等的時(shí)間內(nèi)，行星與太陽的連線所掃過的面積相等。第三定律：行星運(yùn)動周期的平方與行星至太陽的平均距離的立方成正比，即行星公轉(zhuǎn)的周期只和半長軸有關(guān)。太陽行星軌道約翰尼斯·開普勒(JohannsKe-pler,1571-1630),杰出的德國天文學(xué)家。2.5航天器飛行基本原理2.5.2空間飛行器的軌道兩體問題：天體力學(xué)中的一個(gè)最基本的近似模型。研究兩個(gè)可以視為質(zhì)點(diǎn)的天體在其相互之間的萬有引力作用下的動力學(xué)問題。在該問題研究過程中是將慣性空間某兩星體孤立地進(jìn)行研究，如地球和月球、太陽和某顆行星或某些雙星那樣的問題。2.5航天器飛行基本原理2.5.2空間飛行器的軌道兩體系統(tǒng)：設(shè)OXYZ是慣性參考坐標(biāo)系，把其中的兩個(gè)物體視為質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)量分別為m1和m2，構(gòu)成兩體系統(tǒng)。Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型2.5航天器飛行基本原理2.5.2空間飛行器的軌道兩體問題：系統(tǒng)的質(zhì)心為C，它位于質(zhì)點(diǎn)m1相對于m2的距離矢量r上的某點(diǎn)。若坐標(biāo)系原點(diǎn)到m2,m1和質(zhì)心C的失徑分別為r2,r1和rc，根據(jù)系統(tǒng)質(zhì)心特性有：Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型2.5航天器飛行基本原理2.5.2空間飛行器的軌道兩體問題：Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型上式可推出：即：萬有引力定律是艾薩克·牛頓在1687年于《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》上發(fā)表的。2.5航天器飛行基本原理2.5.2空間飛行器的軌道兩體問題：結(jié)論：兩體運(yùn)動中，系統(tǒng)質(zhì)心不做加速運(yùn)動，或者說，慣性空間兩體相互作用的結(jié)果，其系統(tǒng)質(zhì)心速度保持不變，要么等速直線運(yùn)動，要么靜止不動。2.5航天器飛行基本原理2.5.2空間飛行器的軌道兩體問題：Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型兩體問題Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型加速度？動量矩？兩體問題Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型結(jié)論2：m1相對m2的動量矩是守恒的，包括它的方向和大小都是守恒的。由h的定義可知，h垂直于r和v，而r和v構(gòu)成m1和m2相對運(yùn)動軌道的空間平面，h守恒，表明這個(gè)平面慣性空間是保持方向不變的，說明m1和m2的相對運(yùn)動是不變平面的運(yùn)動。兩體問題Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型動能？結(jié)論：兩體系統(tǒng)動能等于質(zhì)心平動動能+繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動動能。兩體問題Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型兩星體相對運(yùn)動軌跡？e是積分常矢又稱偏心矢量結(jié)論3：偏心矢量e和h是垂直的，換言之e位于m1和m2兩者的運(yùn)動平面之中，起方向和大小保持不變，為無因次量。兩體問題Orcr1r2F2CF1rm1m2YZX兩體系統(tǒng)模型兩體問題軌跡形狀e的數(shù)值軌跡形狀0圓0<e<1橢圓e=1拋物線e>1雙曲線兩體問題?1m1m21’44’3’2’2C?r1m13圓34562’3’4’6’5’橢圓軌跡為橢圓和圓的兩體運(yùn)動右圖分別表示e=0.707和e=0，質(zhì)心C靜止不動的兩體系統(tǒng)在慣性空間的運(yùn)動情況。中心引力場中的運(yùn)動一般理論：假如在兩體運(yùn)動的系統(tǒng)中，m2>>m1，可以認(rèn)為中心C與m2重合，m1對于m2的相對運(yùn)動，便成為繞中心引力體的運(yùn)動，這正是人造空間飛行器通常所遇到的情況。Or1r2=rcrm1m2YZX中心引力場中的運(yùn)動中心引力場中的運(yùn)動在中心引力場運(yùn)動中，軌道的形狀仍由式：描述。在此設(shè)可得：中心引力場中的運(yùn)動當(dāng)e取不同數(shù)值時(shí)，軌道形狀如圖：橢圓圓焦點(diǎn)近心點(diǎn)遠(yuǎn)心點(diǎn)P拋物線雙曲線PPe=0ae=10<e<1e>1Pem2圓錐曲線中心引力場中的運(yùn)動開普勒第一定律：物體在中心引力場中的運(yùn)動軌跡是圓、橢圓、拋物線或雙曲線等圓錐曲線。開普勒第二定律：空間飛行器在單位時(shí)間內(nèi)掃過的扇形面積為常值。rminrapdA?d?失徑掃過的面積圓軌道當(dāng)e=0時(shí)，軌道為圓形，此時(shí)：以地球參數(shù)代入可得第一宇宙速度。橢圓軌道?Fppabeaarrp橢圓軌道的幾何關(guān)系開普勒第三定律：繞同一中心天體的所有行星的軌道的半長軸的三次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。拋物線軌道當(dāng)e=1時(shí)：drPpm/2md?rp拋物線軌道雙曲線軌道當(dāng)e>1時(shí)，軌道為雙曲線，圖給出一條雙曲線軌道：prd2aearp?FpOm2bn?雙曲線軌道空間飛行器姿態(tài)動力學(xué)常用的坐標(biāo)系動能角動量歐拉方程式空間飛行器姿態(tài)動力學(xué)常用坐標(biāo)系慣性坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系軌道坐標(biāo)系空間飛行器坐標(biāo)系空間飛行器體固聯(lián)系赤道Xo,xYo,yOEZ0,zZ1X1Y1地心慣性坐標(biāo)系和軌道坐標(biāo)系動能空間飛行器姿態(tài)動力學(xué)是研究姿態(tài)運(yùn)動和空間飛行器上作用力矩之間的關(guān)系。BRrCjikPrerdmρO剛體運(yùn)動的動能航天器控制航天器控制通常指對航天器運(yùn)動的控制。航天器的運(yùn)動包括軌道運(yùn)動和姿態(tài)運(yùn)動。因此航天器運(yùn)動控制包括軌道控制和姿態(tài)控制。軌道運(yùn)動指航天器質(zhì)心的運(yùn)動，也就是航天器作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在空間的運(yùn)動；姿態(tài)運(yùn)動則指航天器本體作為剛體相對于自身質(zhì)心的運(yùn)動和航天器作為復(fù)雜多體系統(tǒng)時(shí)其各部分的相對運(yùn)動。航天器軌道航天器軌道控制是按照任務(wù)的需要對航天器施加外力，改變其運(yùn)動軌跡的過程。航天器的運(yùn)動軌跡主動飛行段自由飛行段軌道機(jī)動軌道攔截軌道轉(zhuǎn)移軌道交會航天器軌道航天器的運(yùn)動軌跡通常由若干主動飛行段和自由飛行段相連接而成。主動飛行段是變軌發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火段，除此之外，航天器處于自由飛行段。為了能夠按照飛行任務(wù)的要求改變航天器的軌道，即使之由某一初始軌道到達(dá)預(yù)定的目的軌道，需要進(jìn)行變軌控制和軌道機(jī)動。根據(jù)對目標(biāo)軌道的要求，軌道機(jī)動可分為軌道攔截、軌道轉(zhuǎn)移和軌道交會。航天器姿態(tài)航天器姿態(tài)控制是通過對航天器施加外力矩和內(nèi)力矩，使航天器獲得或保持任務(wù)所要求的姿態(tài)的過程。航天器姿態(tài)控制姿態(tài)機(jī)動姿態(tài)捕獲可動部件的姿態(tài)或指向控制姿態(tài)保持航天器姿態(tài)姿態(tài)機(jī)動一般指初始姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)相差較大的控制。姿態(tài)捕獲是在初始姿態(tài)未知的情況下，通過一定的姿態(tài)控制程序，最終捕獲目標(biāo)，達(dá)到預(yù)定姿態(tài)的控制過程。姿態(tài)保持指克服各種干擾力矩，以要求的精度維持姿態(tài)在標(biāo)稱值附近。航天器控制方式分類航天器控制方式按照地面測控系統(tǒng)參與程度，可分為地面控制和自主控制；按照是否對航天器運(yùn)動控制效果進(jìn)行實(shí)時(shí)測定，并作為反饋去影響控制信號的確定，可分為閉路控制和開路控制；按是否消耗航天器上的能源可分為主動控制和被動控制；按姿態(tài)運(yùn)動狀態(tài)分為自旋穩(wěn)定航天器控制和三軸穩(wěn)定航天器控制。航天器姿態(tài)控制航天器上的姿態(tài)控制系統(tǒng)是指航天器上實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的硬件和軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)組成和硬件敏感器控制電路及計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)噴氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)境力執(zhí)行機(jī)構(gòu)航天器姿態(tài)控制姿態(tài)控制系統(tǒng)通常由敏感器、控制電路及計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。他們同被控制對象——航天器一起組成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。敏感器獲取有關(guān)姿態(tài)運(yùn)動信息。控制器對敏感器測量信號進(jìn)行處理，得到當(dāng)前運(yùn)動相對于目標(biāo)值的誤差，根據(jù)預(yù)先確定的控制規(guī)律產(chǎn)生控制信號?？刂菩盘柦?jīng)過放大，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，作用于航天器，修正姿態(tài)誤差，使航天器姿態(tài)運(yùn)動趨向于目標(biāo)值。典型的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)偏置動量三軸穩(wěn)定航天器控制系統(tǒng)太陽敏感器地球敏感器陀螺儀星載計(jì)算機(jī)中心控制電路動量輪驅(qū)動電路推力器驅(qū)動電路帆板驅(qū)動電路動量輪雙組元發(fā)動機(jī)、推力器帆板驅(qū)動組件東方紅3號衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)偏置動量三軸穩(wěn)定航天器控制系統(tǒng)東方紅3號衛(wèi)星采用全軌道三軸穩(wěn)定，其姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)組成如上圖。該衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道期間用太陽敏感器、地球敏感器、陀螺儀測量姿態(tài)。在地面系統(tǒng)的操作下，用衛(wèi)星上的雙組元推力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以星上計(jì)算機(jī)和中心控制線路為核心實(shí)現(xiàn)自主閉環(huán)姿態(tài)控制，完成太陽捕獲、地球捕獲、建立點(diǎn)火姿態(tài)、變軌發(fā)動機(jī)點(diǎn)火等動作。用雙組元變軌發(fā)動機(jī)完成軌道控制。典型的航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)雙自旋穩(wěn)定航天器控制系統(tǒng)北紅外地平儀南紅外地平儀太陽敏感器1太陽敏感器2加速度計(jì)消旋控制電路自旋控制電路自旋控制電路章動控制和動平衡控制電路消旋組件單組元肼推力器動平衡機(jī)構(gòu)液體章動阻尼器風(fēng)云2號衛(wèi)星姿態(tài)軌道