姿态与轨道动力学讲义(轨道部分)(2008)

北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07姿态与轨道动力学姿态与轨道动力学教师：韩潮教授单位：北京航空航天大学宇航学院空间飞行器与导弹技术系电话：82339583手机：[phone]网址：sst.buaa.edu.cn/main邮箱：[e-mail]2009年8月2日2北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07姿态与轨道动力学姿态与轨道动力学教学大纲教学大纲l课程编号：l课程名称：姿态与轨道动力学SpacecraftOrbitandAttitudeDynamicsl学时学分：44学时/2.5学分l先修课程：理论力学，飞行动力学基础2009年8月2日3北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07课程教学目标课程教学目标l姿态与轨道动力学是飞行器设计专业空间飞行器设计专业方向的必修课l旨在培养学生掌握分析航天器轨道和姿态运动特性的基本方法和基本技能l为解决实际航天工程问题作必要的理论基础2009年8月2日4北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07教学内容教学内容1.绪论2.Kapler轨道问题3.轨道要素与坐标系的定义4.轨道摄动方程5.地球形状轨道摄动6.大气摄动和第三体引力摄动7.轨道机动，Hohman变轨，轨道平面变轨8.Lambert变轨9.轨道保持，航天器相对轨道运动10.航天器--日--地关系11.两行轨道要素2009年8月2日5北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07教学内容教学内容((续续))12.航天器姿态动力学分类、航天器姿态的描述,航天器姿态运动学方程13.航天器姿态动力学方程14.自旋航天器运动特性15.自旋航天器章动运动稳定分析16.重力梯度稳定17.姿态控制系统设计简介18.纯喷气极限环姿态控制19.卫星轨道设计准则20.复习总结21.复习总结22.考试2009年8月2日6北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07考核方式与参考资料考核方式与参考资料l考核方式:v闭卷笔试l参考资料v航天器飞行动力学原理，肖业伦，1995年，宇航出版社v航天动力学基础，BatesR.等著，1990年，北京航空航天大学出版社v航天器姿态动力学与控制（英文版），北航印刷所影印v航天器动力学，肖业伦，韩潮，即将出版，北京航空航天大学出版社2009年8月2日7北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07神舟神舟77号发射回顾号发射回顾2009年8月2日8北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,072009年8月2日9北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07神舟神舟77号发射回顾号发射回顾2009年8月2日10北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07中国神舟七号事件记录中国神舟七号事件记录l第一日9月25日v21时09分许：火箭点火v21时10分：神舟七号飞船升空v点火第120秒火箭抛掉逃逸塔v点火第159秒火箭一二级分离成功v点火第200秒，整流罩分离v点火第500秒，二级火箭关机v点火第583秒时，飞船与火箭成功分离v21时22分许：航天员报告：太阳帆板展开，身体感觉良好。l第二日9月26日v4时04分：神舟七号飞船成功变轨，由椭圆轨道变成近圆轨道。2009年8月2日11北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07中国神舟七号事件记录中国神舟七号事件记录l第二日9月27日v16时39分许：在刘伯明、景海鹏的协助和配合下，中国神舟七号载人飞船航天员翟志刚顺利出舱，实施中国首次空间出舱活动。v16时59分许：翟志刚进入轨道舱，并完全关闭轨道舱舱门，完成太空行走。v17时01分许：轨道舱关闭正常。v19时24分：神舟七号飞船飞行到第31圈时，成功释放伴飞小卫星。这是中国首次在航天器上开展微小卫星伴随飞行试验。v20时16分许：伴飞卫星完成对神舟七号的20分钟拍照，图像十分清晰。2009年8月2日12北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07中国神舟七号事件记录中国神舟七号事件记录l第四日9月28日v12时51分许，神舟七号返回舱舱门关闭，神七返回阶段开始。v16时41分许，各测控站点进入神七飞船返回跟踪的10分钟准备。v16时44分许，北京飞控中心发出飞船调姿指令。飞船一次调姿到位。v17时12分许，推进舱和返回舱成功飞离v17时20分许，返回舱降落伞打开v17时21分许，飞船进入黑障区，与地面指控中心的通信暂时中断。v17时22分许，飞船进入主着陆场上空v17时24分许，飞船飞出黑障区v17时36分许，神舟七号完成载人航天任务，返回舱顺利着陆。v18时23分许，航天员成功出舱北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07第一章第一章绪论绪论1.航天器动力学的基本概念和基本内容2.航天器轨道动力学3.航天器姿态动力学4.空间环境5.本课程在航天器设计中的地位6.需要先期的课程2009年8月2日14北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器动力学的基本概念和基本内容航天器动力学的基本概念和基本内容l航天器：v在外层空间，基本上按天体力学规律运行的，完成某一特定服务功能的人造天体。v人造地球卫星，空间探测器，月球探测器，空间站，载人飞船都属于航天器的范畴。l外层空间：v主要指地球大气层之外。但有时航天器也包括返回的飞行阶段。l天体力学：v应用力学的普遍规律来研究引力作用下天体的运动与平衡的科学。天体力学的原理就是一般力学的原理，其中必须加上万有引力定律。2009年8月2日15北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器动力学的基本概念和基本内容航天器动力学的基本概念和基本内容l航天器动力学：v研究航天器飞行运动规律，用一般力学的基本原理研究航天器在外层空间受力情况下的运动规律和控制策略。v航天器本身从运动规律上可以抽象为刚体。航天器的运动可以由刚体的运动来描述其运动规律，刚体的运动规律、基本特性在理论力学中给出了系统科学的理论体系和研究方法。v航天器动力学本身只是以航天飞行器为对象，研究其在外层空间受力情况下具体运动规律，得出一些具体的，可以用于工程研究的结论。2009年8月2日16北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器运动的描述航天器运动的描述l在理论力学中已经知道，刚体的运动可以刚体质心的位置，质心的速度，刚体相对某一坐标旋转的角度及旋转角速度来描述。l航天器在空间的运动可以由其质心的位置矢量（），质心的速度矢量（），相对某一坐标系的姿态矩阵（），以及姿态变化角速度矢量（）来描述。RVCw2009年8月2日17北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器运动描述的类型划分航天器运动描述的类型划分l描述航天器运动的四项内容可以分为两组问题v和描述了航天器质心在空间的运动情况，这类问题被称为轨道问题。v和描述了航天器的姿态绕其质心的转动运动，这类问题被称为姿态问题。l一般情况下，上述两类问题从动力学角度上是可以分开的（在本课的内容中会给出两类问题可以分离的条件）。l两类问题对应的动力学问题分别为航天器轨道动力学和航天器姿态动力学。RVCw2009年8月2日18北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器轨道动力学航天器轨道动力学（（SpacecraftOrbitDynamicsSpacecraftOrbitDynamics））l将航天器作为质点研究其在万有引力及其它因素（如发动机推力，大气阻力）作用下的运动规律。2009年8月2日19北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器轨道动力学的范畴航天器轨道动力学的范畴l航天器在万有引力（中心引力场）的运动是其基本运动状态，称为轨道飞行状态，这时航天器的运动完全遵从天体力学Kepler轨道的运动规律。l除了中心引力场之外，航天器还要受到其它微小力的作用，如地球形状引起的非中心引力，大气阻力，其它天体（如日，月）引力作用下造成的航天器相对Kepler轨道的偏离称为轨道摄动，l如何定性定量地描述上述影响，l如何有目的地改变航天器的运行轨道以及航天器与地面之间关系2009年8月2日20北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器轨道动力学的内容航天器轨道动力学的内容lKepler轨道的基本特性。l航天器轨道的摄动。l航天器的轨道机动和轨道控制。l航天器——地球——太阳的关系。2009年8月2日21北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器姿态动力学航天器姿态动力学（（SpacecraftAttitudeDynamicsSpacecraftAttitudeDynamics））l航天器姿态动力学将航天器作为刚体，研究其绕航天器质心转动的运动特性，其本质属于刚体力学的范畴。l所以要研究航天器姿态运动特性，主要因为航天器上的所有部件（包括发动机，天线，太阳能电池等）都是与航天器本体固连的，当航天器的应用需要将对应的部件指向空间某一特定方向时，一般需要调整航天器的姿态使其指向特定的方位;l航天器姿态的运动及控制是航天器姿态动力学研究的主要内容，2009年8月2日22北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07航天器姿态动力学研究的主要内容航天器姿态动力学研究的主要内容l航天器姿态运动的描述，建立描述航天器姿态运动的Euler动力学方程和姿态运动学方程。l自旋航天器运动特性。l重力梯度稳定特性。l航天器姿态运动的控制。2009年8月2日23北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07空间环境空间环境l由于航天器运行在外部空间环境，因此需要对航天器在外部空间环境中受到的外部力与力矩的影响进行深入的分析。l影响航天器运动的主要空间环境：v中心引力场。v地球非球形影响造成的非中心引力场。v地球大气影响。v地球磁场的影响。v太阳光压的影响。2009年8月2日24北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07本课程在航天器设计中的地位本课程在航天器设计中的地位l由于航天器以轨道运行为基本运动特性。因此航天器轨道的特性与其飞行任务是密切相关的，航天器轨道设计是航天器设计的重要内容。l航天器轨道控制和航天器姿态控制系统都是航天器的主要子系统。l航天器动力学（轨道和姿态动力学）是航天器设计专业一门重要的专业课。2009年8月2日25北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07需要先期的课程需要先期的课程l数学基础v高等数学，矢量代数，矩阵理论（线性代数）l理论力学l物理基础知识l飞行动力学基础2009年8月2日26北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07神神州州66的的运运行行轨轨道道2009年8月2日27北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07静止静止卫星卫星轨道轨道卫星卫星分布分布北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07姿态与轨道动力学姿态与轨道动力学教师：韩潮教授单位：北京航空航天大学宇航学院空间飞行器与导弹技术系电话：82339583手机：[phone]网址：sst.buaa.edu.cn/main邮箱：[e-mail]北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07第二章第二章KEPLERKEPLER轨道特性轨道特性第一节中心引力场中的运动微分方程第二节KEPLER轨道的性质第三节椭圆轨道的基本特性第四节航天器的轨道要素第五节轨道动力中的若干坐标系北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07第一节第一节中心引力场中的运动微中心引力场中的运动微分方程分方程一、基本假设二、二体问题的基本方程2009年8月2日4北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩潮2000,07万有引力定律万有引力定律OrFrrGMmF3-=万有引力定律为描述两个质点之间的相互作用力。对于有限体积大小的物体，当物体为均匀质量的球体时，相互作用力与在质心处同质量的质点相互作用力相等。2009年8月2日5北京航空航天大学宇航学院模版设计：韩