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航天动力学

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航天动力学
航天动力学
航天动力学是研究航天器运载器在飞行中所受的力及其在力作用下的运动的学科,又称星际航行动力学。航天动力学研究的运动包括航天器的质心运动,称轨道运动;航天器相对于自身质心的运动和各部分的相对运动,称姿态运动;以及与航天器发射、航天器轨道机动飞行有关的箭运动。

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综述编辑本段回目录

航天动力学
航天动力学
航天器的飞行过程一般分为三个阶段。①发射段:航天器由运载器(多级火箭、航天飞机等)携带,从地面起飞达到预定的高度和速度。②运行轨道段:航天器主要在万有引力等自然界外力作用下运动。为了保持预定的轨道,有时需要少量的推力;有时为了轨道机动则需要较大的推力。③降落轨道段:一些航天器需要返回地球表面或者降落在目标天体的表面。这时航天器在火箭推力和介质阻力等作用下,离开运行轨道降落到天体表面。在以上各个阶段中,航天器的运动都包含了轨道运动和姿态运动两个部分。在运行轨道段,一般可以将两种运动分别求解。而在发射段和降落段,两种运动关系密切,需要联立求解。研究航天器的运动是以牛顿力学火箭力学为基础的,一般不考虑相对论效应。航天动力学以数学力学控制理论为基础。它的研究内容分为轨道运动、姿态运动和火箭运动三个部分。

人造地球卫星是围绕地球、在太空轨道上运行的物体,它们的运行状态与地球围绕太阳在太空轨道上的运行是相似的。它们所处的状态与我们在地球表面生活的状态,最大的不同就是失重!航天理论知识说:失重是“物体在引力场中自由运动时,有质量而不表现重量的一种状态,又称零重力。失重有时泛指零重力和微重力环境。”“航天器在环绕地球运行或在行星际空间航行中,处于持续的失重状态。在环绕地球运行的轨道上,实际上只有航天器的质心处于零重力,其他部分由于它们的向心力与地球引力不完全相等,而获得相对于质心的微加速度,这称为微重力状态。航天器上轨道控制推进器点火、航天员的运动、电机的转动、微小的气动阻力等,都会使航天器产生微加速度。因此,航天器所处的失重状态,严格说是微重力状态。航天器旋转会破坏这种状态[1]。”人们在电视里看到了在空间站中宇航员的自由飘浮,应该想到空间站同样处于失重状态。同样的道理再扩展一下,在空间轨道上运转的地球,也同样处于失重状态!“在失重状态下,人体和其他物体受到很小的力就能飘浮起来[1]。”如果航天动力学专家们在这段话的后面再加上一句:在失重条件下,地球只要受到很小的力的影响,同样可以发生飘浮状态下的翻转运动现象。那么我们可以更早一点认识到,地球自转轴会发生调适性翻转这个自然现象了。而现在我们只能带有遗憾的说:地球翻转运动是航天动力学专家失之交臂的科学发现。
在地球上生活的人们,无论哪一天,无时无刻都受到重力的作用,所以人无论在东半球,也无论在西半球,无论在北半球,也无论在南半球都是脚朝向地心,而向上站立着。正因为如此,人们在考虑许多事情的时候,总是离不开物体有重量的特定思维。可是,空间科学范畴的轨道卫星的运动,其运动的力学状态和机制,不能够仅仅用万有引力的知识去思考,还必须加上用失重状态下的航天动力学知识才能够解释清楚。许多学者不能够接受地球翻转的新发现,就是因为总是习惯用万有引力和重力状态去思考问题。要创新,就必须有全新的思考方式和全新的思路。
在轨道上运转的卫星,无论他们的原始重量如何,其实都象气球一样在太空轨道上漂浮着运转。正因为是一种失重状态,所以在运转过程中,常常出现非自转运动以外的意想不到的翻滚。例如1958年美国第一颗卫星“探险者1号”,由于其四根鞭状天线的振动耗散了很多能量,在正常工作了一段时间以后,出现了意想不到的卫星翻滚现象,导致任务失败。1973年4月3日苏联发射礼炮2号空间站。空间站入轨不久,姿态控制系统发生故障,发生空间站翻滚,最后爆炸成25块碎片。1998年5月19日,位于北美西经99度赤道上空的银河-4通信卫星突然发生严重故障,星上姿控系统控制处理器失效,导致卫星翻滚,卫星停止工作[2]。对于“美国‘探险者’1号卫星在飞行中出现的事先没有预计到的翻滚运动,后来的分析结果表明,问题出在卫星内活动部件的运动上。只要放弃理想刚体的假设,代之以准刚体,即内部有能量耗散的近似刚体模型,就能解释所观察到的现象[3]。”地球作为在绕日轨道上运转的行星,它类似于没有姿态控制器的轨道卫星,它的自转轴是否会出现意想不到的突发性自然翻滚现象呢?学者和读者们都可以自己掩卷思考一下。笔者只是在极力收集地球翻转现象留存下来的,各种可以作为证据的现象和资料,并不是一定利用公式来推演自然界实际存在的变化现象。
对于轨道卫星自转轴的翻转现象,航天动力学专家们是这样说的。刚体动力学证明:“当刚体绕最大主惯量轴或最小主惯量轴自旋时,都具有陀螺定轴性。但是,实际的卫星不是刚体。卫星包含弹性部件,并装有姿态控制和轨道控制所需要的液体燃料。这会引起卫星中弹性部件振动和液体燃料在燃料箱内晃动,这些运动都要消耗卫星的转动动能,卫星的运动终将趋于最小动能状态。在角动量守衡的情况下,最小动能状态就是卫星绕最大主惯量轴旋转的状态。也就是说,当卫星绕最小主惯量轴自旋,且有内部机械能耗散时,标称自旋轴将在空间翻转[4]。”象地球这种有气圈、水圈和液态外核的天然卫星,由于地球内核的异常运动、两极冰盖的不均匀扩大和缩小、海水频繁的潮起潮落、地球自己的不均匀地膨胀和收缩、人们从地下深处大量采挖矿产品和不均衡的运输集中、地外物体的撞击等等地内、地外的因素影响,必然有内部机械能的耗散。其动能状态会发生变化,转动惯量也同样会表现在最大主惯量轴、中间主惯量轴、最小主惯量轴三个轴的积累性变化上。从而在到达某一个关键时刻,发生标称自转轴的空间翻转,就会成为不可避免的运动现象了。
借用航天动力学的理论,地球一方面要保持最小动能状态,也就是它绕最大主惯量轴旋转的状态,可是自转等运动又在逐渐破坏着它希望保持的最小动能状态。这一对矛盾的更迭和转化,造就了地球自转轴必然在空间发生调适性翻转运动。这种翻转运动在理论上应该是90度,实际上还会有一个较小数量级别的加减。这种翻转运动发生的周期是或长或短的、但是又确实是经常发生的运动现象。应该说地球自转轴发生翻转,是天然卫星在自然运动状态中的一种正常的调适变动,也是在认识自然的过程中,被科学界忽视的一个“漏洞”。当然,地球能否确实发生自转轴的突发性快速翻转?每一次翻转多少角度?翻转速度是多少?应该由航天动力学专家来详细论证。本文只是从现象出发,对地球翻转现象提出一种新的思考。而这种思考不是漫无目标的胡思乱想,是有数学、物理学、力学基础,有坚实的地质学资料积累,也有从全新角度解析的、历史古籍记载的多种综合证据的。

起源和发展编辑本段回目录

航天动力学
航天动力学
经典天体力学研究自然界天体的轨道运动和绕质心运动。19世纪末,研究太阳系中大行星运动和月球运动的理论都已完善,总结出轨道摄动理论。航天器轨道运动理论是在这些理论基础上发展起来的。迄今,人造天体的轨道运动理论仍是天体力学的研究课题。随着火箭技术的发展,从20世纪50年代起,人造地球卫星、月球探测器、空间探测器相继发射成功,轨道运动理论的研究发展成为与工程实践密切联系的应用学科,研究内容也超出了天体力学的传统范围。航天器姿态运动理论也起源于天体力学。18世纪,人们通过对地球自转的研究得到岁差和章动理论。20世纪,人们利用这些理论研究了早期航天器(结构简单的刚体)的姿态运动。到了70年代末,以刚体为主体的航天器的姿态运动问题已经基本解决。随着航天器任务多样化,出现了多种姿态控制方式。由于卫星结构形式的复杂化,力学模型也从刚体模型发展成多种模型,与航天器设计的关系更加密切。姿态运动研究既是一个理论问题,又是一个工程应用问题。火箭运动是受经典力学规律支配的变质量体系的运动。20世纪初,苏联的К.Э.齐奥尔科夫斯基、美国的R.H.戈达德等相继开展了变质量系统的运动理论研究。40年代以来,研制导弹和人造地球卫星的需要,使火箭从早期的无控制飞行发展到高精度控制飞行,促进了火箭力学的研究。

轨道运动编辑本段回目录

航天器的质心运动研究,以牛顿力学为基础从航天器受到的作用力着手确定航天器的运动。它可归纳为航天器轨道理论及其应用研究两个方面。

轨道理论它以天体力学中的轨道摄动理论(见航天器轨道摄动)为基础,用于在已知航天器所受的力的情况下确定航天器轨道运动的问题。轨道理论是轨道设计、轨道测定的基础。轨道摄动理论中将航天器实际运动的轨道分成两个部分。其中一部分是已经完全解出的简化理论轨道。它与精确理论轨道十分接近。简化理论轨道一般取符合二体问题运动规律的开普勒轨道。另一部分是精确理论轨道与简化理论轨道的差,称为轨道摄动。轨道摄动是一个小量,只要解算出轨道摄动,就能精确求出航天器的轨道运动。与天体力学中的情况相似,求解轨道摄动的方法也有两类:一类是数值计算法,天体力学称为特别摄动法;另一类是分析方法,解出近似解析解,天体力学称为普遍摄动法。研究轨道摄动的另一个目的是通过与实测轨道的对比,研究分析轨道摄动的起因,为天体引力场、天体形状、天体周围气体层等研究提供信息。除了轨道摄动法外,直接用航天器的运动方程进行数值积分,也可得到精确的数值结果。降落轨道段轨道研究的重点是航天器在大气层内的高速运动。在制动推力和空气动力作用下,航天器的初始方位、速度方向、重量、外形和姿态运动规律决定了它的降落方式。它可能以弹道、滑翔或跳跃等方式降落在天体表面。

应用研究编辑本段回目录

航天器与自然天体的一个区别是轨道可以人为地选择,在运动过程中又可以施加控制力以改变原来的轨道。按照航天器担负的使命选择最有利的运行轨道是轨道设计的主要工作。火箭运载能力和控制精度的提高,扩大了轨道选择的范围。由于人们掌握了轨道运动规律,业已设计出实用的地球静止卫星轨道、回归轨道、太阳同步轨道、极轨道、晕轨道等。在这些轨道上运行的有通信卫星广播卫星地球资源卫星侦察卫星气象卫星等。在月球探测和行星探测活动中,多以接近目标天体为目的。实现这个目的的轨道数量很多,轨道设计的任务是从中选择出一条最佳轨道。这条轨道应能达到最小动力消耗或最短飞行时间、最简单控制方法、最便于地面观察等要求。选出的轨道在实现过程中总会出现误差,轨道设计的另一任务是设法将误差控制在不影响完成飞行使命的范围内。对于有机动能力的航天器,轨道设计还与航天器的动力系统和控制系统有关。因此,轨道设计是轨道理论在工程上的应用。

轨道确定编辑本段回目录

是利用观测数据确定航天器轨道的过程。工作内容包括初轨确定和轨道改进。确定出的轨道为轨道控制、轨道修正、目标定位、观测预报和其他学科的研究提供基本参数。轨道确定的方法来源于天体力学。早期天体力学中,轨道确定的对象是自然天体,已形成了完整的确定方法。这些方法原则上都适用于航天器的轨道确定。但是,与自然天体相比,航天器运动角速度大,与地球站保持有无线电联系,测量手段多,数据种类全、数量大。另外航天器的轨道确定要求精度高,实时性往往很强,因而逐步形成了一些有特点的方法。轨道确定的基本理论包括轨道摄动理论、轨道误差估算理论和高维数线性方程组的计算方法等。

姿态运动编辑本段回目录

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在研究航天器姿态运动时,航天器便不再被看成是质点。航天器姿态运动可以分为整体绕质心的运动和航天器部件之间的相对运动。

姿态运动理论姿态运动理论是姿态控制方式设计的基础。它的任务是求出任意时刻的航天器的姿态状况。具体任务是:确定力学模型,分析作用力矩,建立和求解运动方程。航天器的力学模型与航天器部件的结构形式有关。这些部件可以是刚体、准刚体、多刚体、弹性体,甚至是刚体、弹性体和液体的混合体等。它们受到的力矩有自然界的外力矩、航天器的内力矩和控制力矩。描述姿态运动的方程是常微分方程偏微分方程

应用研究根据航天器的使命,要求航天器在运行过程中保持一定的姿态,这就需要选择某种姿态控制方式。这种方式首先要满足航天器使命的要求,在这一前提下尽量使控制系统最简单和最经济。一般的姿态控制方式有自旋稳定、双自旋稳定、重力梯度稳定、三轴控制等。通过适时地施加控制力矩来克服外界干扰力矩,就可以保持航天器姿态长期稳定。在航天器的轨道机动飞行中常常需要调整航天器的姿态,以保证机动飞行所需的推力方向。

火箭运动编辑本段回目录

火箭运动的研究是以变质量力学和经典力学为基础的,其任务是求出任意时刻火箭的运动状态和分析火箭姿态运动的稳定性。火箭的质心运动也称为火箭轨道运动。这个方面的研究内容包括:

①建立火箭运动方程并加以求解。火箭运动方程包括质心运动方程和绕质心运动方程。有控制的火箭绕质心运动方程中含有给定的控制力矩。求解这组方程的主要方法是数值计算方法。

②火箭轨道优化:能够达到目标的火箭轨道有许多条,需要从中选出一条最佳轨道。在满足地面跟踪测量和航区安全等条件下,这条轨道是最节省能量或运行时间最短的轨道,也可能是飞行距离最远或获得运载量最大的轨道。火箭轨道优化的方法分为间接优化法和直接优化法。

③火箭轨道摄动:分析火箭在受到干扰时的运动状态。这类干扰包括火箭特性参数和设计理论值的偏差,飞行环境与预先估计值的偏差等。

④建立火箭运动和火箭设计中有关参数的关系。

北大实验室编辑本段回目录

北京大学航空航天动力学与控制实验室拥有一支结构合理、知识全面、敬业奉献的研究团队,现有中国科学院院士1名,长江讲座教授1名,教授(研究员)6名,副教授2名,博士生导师7名。

实验室先后承担主持国家八五重大基金项目、863课题、国家自然科学基金项目、博士后基金项目等研究任务多项。实验室与中国航天科技集团公司中国空间技术研究院北京控制工程研究所中国科学院北京航空航天大学上海交通大学香港城市大学澳大利亚Monash大学瑞典隆德工学院等海内外研究机构和大学保持良好的合作关系。

实验室拥有力学系统与控制博士学位授权点和力学系统与控制专业硕士点,研究方向涉及非线性系统与控制、复杂力学系统控制、航天器动力学控制、飞行器导航与控制、飞行器控制系统仿真冲击动力学机器人控制、智能控制、多智能群体动力学与控制等近20个研究方向,面向全国招收博士生和硕士生。同时,实验室还招聘航空航天动力学与控制方向博士后。

实验室目前主要实验设备有机电控制一体化系统和三自由度直升机系统,建立了飞行仿真实验平台。

著名科学家编辑本段回目录

航天动力学
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1945年,抗战胜利,黄文虎考上了浙江大学电机系;1949年解放战争胜利,他大学毕业。其间,黄文虎参加了学生“三反”(反饥饿、反内战、反迫害)运动。1949年5月,杭州解放时,黄文虎被指派参加解放军,参与杭州市军管会接管杭州市电信局的工作。工作结束后,黄文虎被分配到了原天津中央电工二厂工作。1950年,黄文虎又来到哈尔滨工业大学,进入研究生班学习。1953年,黄文虎毕业后留校任教。此时,由于工作需要,他接到了一项艰巨的任务:转行,向前苏联专家学习理论力学,专攻动力学和振动。

此后,黄文虎长期从事航天动力学与振动工程领域的研究工作,以及飞行器结构强度与动力学的教学工作,取得了骄人的成绩:在振动工程、动力学与控制及故障诊断等方面,解决了国内多项较重大工程项目中的关键科技问题;在复杂结构的振动分析和振动设计方面,提出了汽轮机整圈连接长叶片组振动设计的新方法和叶片组调频的“三重点”理论,解决了我国自行设计大容量汽轮机中的一个技术关键;针对高速旋转机械以及空间飞行器等设备的故障诊断,提出了一系列新概念和新方法……1995年,黄文虎当选为中国工程院院士

黄文虎是永康舟山村人,今年(2002年)75岁。父亲曾在上海邮局工作,黄文虎不到10岁就到金华中学附小读书。不久,日本侵略中国。日军的飞机对金华进行了疯狂的轰炸,第一次轰炸在金华火车站附近一带扔下了6枚炸弹。黄文虎亲眼目睹了炸弹炸出的6个大弹坑。由于战乱,黄文虎不得不逃难回到了永康老家。后来,黄文虎考入了分散在金华岭下朱附近的方山岭、蒲塘等5个地方办学的金华中学。当时,点的是昏暗的桐油灯,住的是祠堂庙宇。黄文虎记得,他的床在上铺,晚上睡觉时,头刚好紧挨着一排排令人恐怖的神主牌位。尽管如此,黄文虎对这段时光仍充满了无限的留恋。采访时,黄文虎情不自禁地哼出了60多年前金华中学音乐老师自己谱曲并填词的一首抗日歌曲:风……海风……浪……海浪……

黄文虎曾任哈尔滨工业大学校长、研究生院院长等职,现任哈尔滨工业大学航天学院教授、全国重点学科“一般力学与力学基础”学科学术带点人。黄文虎在金华职业技术学院的创办过程中起了重要的作用,至今还是金华职业技术学院的名誉院长。

参考文献编辑本段回目录

1、卡普兰著,凌福根译:《空间飞行器动力学和控制》,科学出版社,北京,1981。
2、列凡托夫斯基著,凌福根、谢治权、马宗诚译:《宇宙飞行力学基础》,国防工业出版社,北京,1979。

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