《航天器动力学工程》前言

根据航天工程的进展及其控制技术的进步,航天器动力学的发展可以概括为早期简单航天器动力学、现代复杂航天器动力学和未来大型空间结构动力学与控制。航天器动力学是力学学科用于航天器工程的专业学科,它既属于航天动力学学科,又属于多学科交叉的飞行器设计学科。其任务是研究航天器从设计、研制、试验、发射到在轨飞行和返回全过程的各类动力学问题的分析、仿真、优化与试验。对于现代复杂航天器,航天器动力学是一般力学、固体力学、流体力学、计算力学、实验力学与控制理论、计算技术、仿真技术及系统工程学等多个学科的交叉综合,不但理论难度大、运动方程非线性强、算法难度高,而且软件系统复杂、工程实用性强、工程化程度要求高。因此,本书定名为《航天器动力学工程》,意在从系统工程角度,重点     

《航天器动力学工程》序(三)

曲广吉研究员数十年来一直从事航天器动力学与控制的研究,在航天器柔性动力学、多体动力学、撞击动力学、液体晃动动力学、空间交会与对接动力学及动力学仿真、优化、试验等方面做了多项研究、设计、开发与应用工作,并与国内许多高校有密切的联系和合作,积累了许多经验和大量资料,是我国航天器动力学领域一位很有贡献的专家。现在曲广吉同志立下宏愿,致力著书,把自己在航天器动力学与控制方面广博的知识和丰富的实践经验加以总结、提升,     

《航天器动力学工程》序(二)

自第一颗人造地球卫星上天以来的半个世纪里,人类在征服宇宙方面取得了辉煌而伟大的成就。随着航天工程及其控制技术的发展而产生的一门新兴学科就是航天动力学,它是力学学科三大分支在航天工程领域的应用和发展,包括航天器动力学、火箭动力学和宇宙飞行动力学。尤其是航天器动力学,几乎涵盖了现代力学各个分支领域,并与控制技术、飞行器设计技术、计算机技术、仿真技术和试验技术等多个学科密切交叉,不但理论难度很大,而且工程实践性极强。     

液体大幅晃动类等效力学模型研究

基于液体大幅晃动等效力学模型研究充液航天器动力学与控制问题。首先,发展并完善了模拟液体大幅晃动的运动脉动球模型（MPBM）,结合已有的液体大幅晃动运动规律和分析结论对MPBM的法向力的计算方法进行了改进;通过数值仿真结果与已有试验结果的对比证明了以上改进工作的有效性。然后,基于MPBM建立了携带多个充液储箱的航天器动力学模型,针对携带四个储箱的充液航天器进行姿态机动控制研究。研究结果表明,四个充液储箱的三种可能的空间布局对航天器姿态机动过程中的角速度、液体晃动力矩和控制力矩将产生不同的影响;此外,还研究了液体大幅晃动等效力学模型中液体晃动阻尼因素对航天器姿态机动控制的影响。     

多体系统动力学在航天领域中的应用

从航天器设计和工程实践角度对多体系统动力学在航天领域中的应用和发展要求提出了粗浅看法,简要介绍了现代航天器设计中遇到的各类多体系统动力学问题及其研究应用状况和关键问题。     

柔性航天器动力学模型的模态综合—混合坐标法建模研究

针对现代航天器中包含复合柔性结构的特点,本文通过将柔性航天器动力学建模的混合坐标法与结构动力学分析的模态综合法相结合,提出了模态综合—混合坐标建模方法。此方法拓宽了混合坐标法的应用范围,使其适用于包含刚体和复合柔性结构的航天器的动力学建模。     

动态新闻

我国首个字航动力学国家重点实验室通过验收据《中国航天报》2012年5月11日报道,我国首个宇航动力学国家重点实验室近日在西安卫星测控中心通过科技部验收,标志着我国初步建立了一个宇航动力学领域基础理论、前沿技术及实践应用的公共科研平台,促进了关键技术的突破,为我国航天重大工程的实施提供了重要支撑。实验室自2009年立项建设以来,重点开展了航天器测量与轨道动力学、航天器轨道姿态最优控制、航天器空间飞行环境监测及预警、航天器飞行任务计划与资源调度等4个方向的研究。     

在轨释放、分离载荷动力学仿真研究

某些航天器需要在飞行过程中释放、分离载荷,由此涉及的动力学问题,关系到航天器平台与载荷的控制。文章主要对此类航天器的多体动力学问题进行研究,基于机械系统动力学仿真分析（ADAMS）软件平台建立了包括航天器平台、载荷和两类分离机构等在内的仿真模型,通过对三种在轨释放、分离载荷方案的分离过程动力学仿真结果对比分析以及参数化仿真分析,为载荷释放、分离方案设计提供参考。     

带挠性附件的航天器系统动力学特性研究

本文研究了带挠性附件的航天器系统动力学特性。带挠性附件的航天器系统建模为刚性主体带挠性附件（挠性附件的末端带有刚性质量），根据拟坐标下的Ｌａｇｒａｎｇｅ定理建立了主刚体姿态运动与挠性附件振动相互耦合的动力学状态方程。针对一类带挠性附件的航天器系统编制了有关计算软件，利用该软件以ＳＣＯＬＥ模型（ＳＣＯＬＥ是ＳｐａｃｅｃｒａｆｔＣｏｎｔｒｏｌＬａｂｏｒａｔｏ－ｒｙＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ的缩写，其系统构形可参见文献［２］［３］）为例进行动力学分析，我们得到了与ＮＡＳＡ有关报告几乎完全一样的结果。本项研究为一类带挠性附件的航天器控制系统设计提供了一种合适的动力学理论模型。     

航天器动力学研究内容的层次结构

简单介绍了航天器动力学学科多层次的研究对象、研究方法及研究成果,给出一个层次结构图。刚体、挠性体及液体是构成航天器的三类介质基元,分别涉及到不同特征的大量动力学问题。当多体之间相互连接构成不同类型航天器或航天器子系统时,连接结构不仅是其物质基础,同时还影响到多体系统的整体动力学特性。这些研究对象都是航天器动力学行为的内因;环境作用、控制作用是航天器动力学行为的外因;给出系统的稳定性判断则是航天器动力学研究的终极目标。     

带空间机械臂的充液航天器姿态动力学研究

本文研究空间机械臂运动对充液航天器姿态的影响，讨论了利用机械臂调整充液航天器姿态问题、以及机械臂操作与航天器姿态稳定的协调问题。研究表明：影响充液航天器姿态的因素除了机械臂运动的路径，还有机械臂运动的时间、机械臂转角的变化规律、液体的粘性、质量和惯性张量等。其中机械臂运动时间的影响比较明显，而且机械臂运动得越慢对航天器姿态的影响越大。合理地选择机械臂操作时间和机械臂转角变化规律，可以实现机械臂操作     

带柔性部件卫星耦合动力学建模理论及仿真

本文利用Ｊｏｕｒｄａｉｎ速度变分原理和集中质量有限元法建立了太阳帆板变形运动与星体大范围刚体运动之间的相互耦合的程式化动力学方程；用数值方法仿真了系统的动力学性能，给出了三种卫星动力学模型并比较了三种卫星动力学模型之间的差异；指出了目前工程实际中所用动力学模型的不足，进而提出了合理的卫星耦合动力学模型。     

利用GPS进行航天器姿态确定的EKF方法

姿态确定是ＧＰＳ在航天器上应用的一个重要方面。采用广义卡尔曼滤波（ＥＫＦ）方法利用ＧＰＳ进行航天器姿态确定，建立了ＧＰＳ载波相位观测和航天器姿态运动的线性误差方程，并进行了仿真计算。     

低地球轨道环境原子氧对航天器表面材料聚酰亚胺作用的数值模拟

在建立数学物理模型的基础上，对氏地球轨道环境和地面实验环境下，有无保护层的聚酰亚胺所受原子氧冲蚀作用进行了进行了成功的数值模拟，获得了具有工程应用价值的数值计算结果，并讨论了数学物理模型中各参数对基蚀曲线形状的影响。从数值模拟结果和美国太空实验结果的比较可以看出，本文数据模拟的结果是正确的。该项工作对航天器的设计具有重要指导意义。     

月球近旁转向技术研究

通过月球近旁转向，可以改变航天器的对地速度大小和方向。借助圆锥曲线拼接法可以对月球近旁转向问题进行初步分析。研究表明：利用月球近旁转向技术发射地球静止卫星和逆向卫星可以节省速度增量，发射场的纬度越高，节省的速度增量越多。     

实时微分控制的算法研究

实时微分控制是进行航天器轨道控制的主要方法。本文在费景高所提出的算法基础上 ,提出了一种有效的改进算法 ,扩大了算法的适用范围。文章对算法的稳定性进行了研究 ,并给出了此算法在弹道导弹显式制导中的应用实例。     

万有引力场中带挠性太阳帆板航天器的姿态稳定性

本文讨论带双侧挠性太阳帆板航天器在万有引力场中的姿态运动，建立带挠性帆板航天器的欧拉方程和帆板强迫振动方程。利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法对动力学方程离散化，利用Ｋｅｌｖｉｎ－Ｔａｉｔ－Ｃｈｅｔａｙｅｖ定量判断航天器在轨道坐标系内相对平衡的稳定性。导出适用于任意阶模态的解析形式稳定性充分条件。     

磁悬浮动量轮的主动振动控制

由于同传统的滚珠轴承动量轮相比 ,磁悬浮动量轮的定子和转子之间没有接触 ,不需要润滑 ,允许高速旋转 ,而且磁悬浮动量轮可以提供框架控制能力 ,因而磁悬浮动量轮被认为是未来高精度航天器姿态控制的理想执行机构。然而尽管与传统动量轮产生干扰力矩的机理不同 ,磁悬动量轮本身还是存在一些振动源。如何消除这些振动源引起的扰动 ,即磁悬浮动量轮的主动振动控制 ,这是将磁悬浮动量轮应用于航天器姿态控制所要解决的主要问题。本文重点对自适应模型跟踪控制方法进行了介绍     

星光折射航天器自主定轨方案比较

当星光透射大气发生折射时 ,用星光折射角精确地反映星光在大气中离地球表面的高度 ,并建立高度、航天器与地球的几何关系。通过对折射角进行观测 ,间接测得地平 ,从而改善了用地平仪直接测地平所造成的航天器自主导航精度低的不足。本文提出了几种利用星光折射的航天器自主定轨方案 ,并作了细致的仿真实验 ,对直接和间接两种测量地平方法以及几种星光折射自主定轨方案进行了分析比较。     

液体多模态晃动充液航天器姿态机动复合控制

主要研究多模态液体晃动时充液航天器大角度姿态机动动力学与控制问题。采用液体晃动弹簧质量等效力学模型将液体燃料前两阶液体晃动模态纳入到充液航天器耦合动力学模型中;根据动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合系统动力学方程。针对充液航天器大角度姿态机动同时抑制燃料晃动的问题,采用自适应动态输出反馈的姿态控制方法并结合基于前馈控制的多模态ZVD输入成型器设计复合控制器。通过数值模拟给出了液体晃动响应及航天器姿态机动的时间历程图,数值仿真结果表明了本文所给出复合控制方法的有效性。