哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第1课-绪论

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1、空间飞行器动力学与控制 曹 伟 飞行器动力学与控制研究所 2011年秋季学期,教学目的和基本要求,1了解航天发展史以及空间飞行器动力学与控制领域的最新进展 2掌握空间飞行器动力学与控制问题研究的基本概念、基本方法等,课程主要内容,本课程20学时，具体如下： 第1课 绪论 第2课 近地空间环境 第3-5课 空间飞行器轨道动力学 第6-7课 空间飞行器轨道控制 第8课 载人飞船技术 第9课 航天飞机技术 第10课 行星际航行,1周军，航天器控制原理，西北工业大学精品课程课件，2005年 http:/202.117.80.9/jp2005/15/kcjs/index.htm 2刘暾 赵钧，空间飞行器

2、动力学， 哈尔滨工业大学出版社，2003年 3章仁为，卫星轨道姿态动力学与控制， 北京航空航天大学出版社，1998年,参考资料,一、宇宙的天体系统 二、人类早期的航天探索 三、国外现代航天器的发展过程 四、国内现代航天器的发展过程 五、航天器的分类,第一课 绪论（上）,自古以来, 飞离地球、遨游宇宙一直是人类未曾中断过的愿望。 可以说，对星系及浩淼的宇宙孜孜不倦的探索正是促使人类走出地球，探索宇宙的最原始的动力。,一、宇宙的天体系统,太阳系,太阳系是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星和行星际物质构成的天体系统，太阳是太阳系的中心。,太阳系大家庭,海尔波普彗星。,火星,土星,狮子座(Leo

3、nid)流星雨,宇航员看到地球的真实面貌。NASA的“阿波罗“17号拍摄。,月圆月缺,陨石,银河系：是太阳系所在的恒星系统，包括一二千亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。它的总质量是太阳质量的1400亿倍。,猎户座中的马头星云B33，它是个暗星云。美国基特峰国家天文台的0.9米望远镜摄于1994年12月28日,小麦哲伦云中新生的超亮恒星。这类恒星的寿命很短，对于宇宙时间尺度来说只是一眨眼的功夫。,银 河 系,仙女座(Andromeda)星系。直径16万光年，距离220万光年，是一个比我们银河系更大的河外星系，也是本星系群的成员之一。,河外星系：位于银河系之外、由几十亿

4、至几千亿颗恒星、星云和星际物质组成的天体系统,椭圆星系半人马A射电源。此星系大约是在10亿年前，由两个星系面对面碰撞后形成的。,如何实现航天探索？ 真正的航天飞行历史是从火箭技术的发展开始的。追溯源头，中国是最早发明火箭的国家。 “火箭”这个词在三国时代(公元220280年)就出现了。不过那时的火箭只是在箭杆前端绑有易燃物，点燃后由弩弓射出，故亦称为“燃烧箭”。,二、人类早期的航天探索,随着中国古代四大发明之一的火药出现，火药便取代了易燃物，使火箭迅速应用到军事中。公元10世纪唐末宋初就已经有了火药用于火箭的文字记载。真正靠火药喷气推进而非弩弓射出的火箭的外形被记载于明代茅元仪编著的武备志中，

5、见下图。,这种原始火箭虽然没有现代火箭那样复杂，但已经具有了战斗部(箭头)、推进系统(火药筒)、稳定系统(尾部羽毛)和箭体结构(箭杆)，完全可以认为是现代火箭的雏形。 中国古代的火箭,中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用了串联(多级)和并联(捆绑)技术以提高火箭的运载能力。明代史记中记载的“神火飞鸦”就是并联技术的体现；“火龙出水”就是串、并联综合技术的具体运用，如图所示。 火龙出水,世界上第一个试图乘坐火箭上天的“航天员”也出现在中国。相传在14世纪末期，中国有位称为“万户”的人，两手各持一大风筝，请他人把自己绑在一把特制的座椅上，座椅背后装有47支当时最大的火箭(又称“起火”)。他试图借

6、助火箭的推力和风筝的气动升力来实现“升空”的理想。 “万户”的勇敢尝试虽遭失败并献出了生命，但他仍是世界上第一个想利用火箭的力量进行飞行的人。今天，为了纪念这位传奇式的人物，国际上将月球表面东方海附近的一个环形山以“万户”命名。,1314世纪，中国的火箭技术与其他火药兵器一同传到阿拉伯国家和印度，后又传入欧洲。至18世纪后期，印度军队在抗击英国和法国军队的多次战争中就曾大量使用火药火箭并取得了成功结果，由此推动了欧洲火箭技术的发展。 曾在印度作战的英国人康格里夫(William Congreve)在19世纪初对印度火箭作了改进，他确定了黑火药的多种配方，改善了制造方法并使火箭系列化，最大射程可

7、达3km。这些初期火箭的原理都成为了近代火箭技术的最初基础。,真正的近代火箭的出现是在第二次世界大战时的德国。1942年10月3日，德国首次成功地发射了人类历史上第一枚弹道导弹V-2(A4型)，并于1944年9月6日首次投入作战使用。第二次世界大战期间，先后大约有4300多枚V-2导弹袭击了英国、荷兰安特卫普港和其他目标，破坏严重。,三、国外现代航天器的发展过程,V-2是单级液体火箭，全长14m，质量为13t，箭体直径1.65m，最大射程320km，发动机熄火高度96km，飞行时间约320s，有效载荷约1t。 V-2的设计虽不尽完善，但它却是人类第一件向地球引力挑战的工具，成为航天技术发展史上

8、的一个重要里程碑。,V-2火箭,1957年10月4日，前苏联用“卫星”号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”送入太空，卫星呈球形，外径0.58m，外伸4根条形天线，质量83.6kg，它是世界上第一个人造天体，它的发射成功标志着人类活动范围的又一飞跃。 第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”,1961年4月12日，前苏联成功地发射了第一艘“东方号”载人飞船，尤里加加林成为人类第一位航天员，揭开了人类进入太空的序幕，开始了世界载人航天的新时代。 前苏联“东方号”载人飞船 人类首位航天员尤里加加林,1962年8月27日，美国发射的“水手2号”探测器第一次成功飞越金星。它是世界上第一只成

9、功的星际间探测器。 “水手2号”探测器,1966年1月，前苏联两艘载人飞船第一次在轨道上成功交会对接，并实现了两位航天员从一艘飞船向另一艘飞船的转移。 前苏联“联盟号”载人飞船 前苏联“上升号”载人飞船,1971年4月19日，前苏联“礼炮1号”空间站入轨成功，其质量约18t，总长14m，轨道高度200250 km，轨道倾角51.6，成为人类第一个空间站。 “礼炮1号”空间站,美国“哥伦比亚号”航天飞机,1981年4月，世界上第一架垂直起飞、水平着陆、可重复使用的美国航天飞机“哥伦比亚号”试飞成功，标志着航天运载器由一次性使用的运载火箭转向重复使用的航天运载器的新阶段，标志着人类在空间时代又上了

10、一层楼，进入了航天飞机时代。,1988年11月15日，前苏联的暴风雪号航天飞机从拜科努尔航天中心首次发射升空，47分钟后进入距地面 250公里的圆形轨道。它绕地球飞行两圈，在太空遨游三小时后，按预定计划于 9时25分安全返航，准确降落在离发射点12公里外的混凝土跑道上，完成了一次无人驾驶的试验飞行。,人类自20世纪60年代开始探测火星的尝试。大约半数火星探测任务成功。 2008年05月25日 ，美国“凤凰”号火星探测器成功降落在火星北极区域，其核心任务是寻找水和生命痕迹。 2008年11月，凤凰号与地面控制中心失去联络。,“凤凰”号挖掘臂挖掘火星土壤的情景,美国未来火星探测计划 美国国家航空航

11、天局与麻省理工学院合作的火星科学实验室将于2009年12月启程前往火星；在2011年，将进行第二次火星侦察任务。 美国的火星样本取回任务计划将于2013年实施，计划于2016年将半千克左右的火星土壤和岩芯样本送回地球作进一步研究。 在第58届国际宇航联合会大会上，美国宇航局宣布计划在2037年派宇航员登上火星。,继1970年4月24日首颗卫星“东方红一号”发射成功以来，我国航天技术的发展和应用取得了巨大的成就。 东方红一号,四、国内现代航天器的发展过程,1975年11月，第一颗返回式遥感卫星从酒泉卫星发射中心发射升空，使我国成为继美、苏之后，世界上第三个掌握卫星回收技术的国家。 我国第一颗返回

12、式遥感卫星发射现场,1984年4月，我国第一颗中等容量地球静止轨道通信卫星“东方红二号”发射成功，迎来了我国卫星通信的新时代，使中国成为世界上第五个独立研制和发射静止轨道卫星的国家。 东方红二号,1988年9月，第一颗气象卫星“风云一号”发射成功。到2007年底，我国已成功发射了4颗极轨气象卫星和3颗静止轨道气象卫星，成为继美国和苏联/俄罗斯后第三个拥有极轨道和静止轨道两个系列气象卫星的国家。 风云二号,1999年11月20日我国成功发射了第一艘试验飞船“神舟号”，在载人航天领域迈出了坚实的一步 神舟号第一艘试验飞船飞行成功,2003年10月15日，我国首位航天员杨利伟乘坐的“神舟”五号载人飞

13、船，在酒泉卫星发射中心成功升空。10月16日，“神舟”五号载人飞船在内蒙古主着陆场成功着陆，标志着我国首次载人航天飞行获得圆满成功。 神州五号载人飞船 航天英雄杨利伟,我国首个空间实验室：天宫一号于2011年9月29日在酒泉卫星发射中心发射，飞行器全长10.4米，最大直径3.35米，由实验舱和资源舱构成。 天宫一号,2011年11月3日，天宫一号与神舟八号飞船在太空中成功完成“天神”牵手，实现了载人航天工程首次空间交会对接任务。 天宫一号与神舟八号交会对接,嫦娥工程是我国实施的第一次探月活动。工程自2004年1月立项，目前已经完成了嫦娥一号卫星和长征三号甲运载火箭产品研制和发射场、测控、地面应

14、用系统的建设。2007年10月24日在西昌卫星发射中心成功发射升空。 嫦娥一号,嫦娥二号卫星是嫦娥一号卫星的姐妹星，由长三丙火箭发射。但是嫦娥二号卫星上搭载的CCD相机的分辨率将更高，其它探测设备也将有所改进，所探测到的有关月球的数据将更加翔实。“嫦娥二号”于2010年10月1日在西昌卫星发射中心发射升空，并获得了圆满成功. 嫦娥二号,中国首个火星探测器“萤火一号”及俄罗斯火星探测器“火卫-土壤”预计于11月9日凌晨自拜科努尔航天发射基地升空。 随着航天技术应用的发展，航天活动已越来越显示出其巨大的军事意义和经济效益，已成为国民经济和国防建设的一个重要组成部分。,按载人与否分类 航天器可分为无

15、人航天器与载人航天器两大类。无人航天器按是否绕地球运行又可分为人造地球卫星和宇宙探测器两类。它们又可以进一步按用途分类，如下图所示。,五、航天器的分类,航天器的分类,航天器,无人航天器,载人航天器,人造地球卫星,宇宙探测器,载人飞船,航天飞机,空间站,科学卫星,技术试验卫星,应用卫星,行星际探测器,恒星际探测器,登月载人飞船,卫星载人飞船,（1）人造地球卫星（无人航天器） 简称人造卫星，是数量最多的航天器(占90以上)。它们的轨道长度由100多公里到几十万公里。按用途它们又可分为： 科学卫星 发展科学卫星的主要目的是： 研究近地空间环境和日地关系，为载人飞船、应用卫星和战略武器的发展提供资料；

16、 进行天文观测； 对地球科学，例如地球磁场、电离层与磁层的关系、地壳力学、海洋动力学等方面进行研究。,美国哈勃太空望远镜,应用卫星 利用星载仪器设备，以应用为目的，在轨道上完成某种任务的卫星，称为应用卫星。它们直接为国民经济和军事服务，如通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星等。,世界上第一颗陆地资源卫星 （美国1972年7月23日发射，名为陆地卫星1号）,技术试验卫星 技术试验卫星是针对某些航天器的特殊新工艺或某项新的系统技术而设计的，其目的是进行预先的飞行试验。在航天技术发展中，技术试验卫星曾发挥了它的作用，世界各国相当重视这种卫星的研制。 我国实践四号科学实验卫星,（2）宇宙探测器（无人航天器） 飞出地球轨道的探测器，有行星际探测器和恒星际(飞出太阳系)探测器两种。其中行星际探测器按探测目标又可分为月球和行星探测器。如20世纪6070年代，前苏联发射的“月球”、“金星”、“火星”、“水星”等系列探测器，美国发射的“水手”、“海盗”、“先驱