航天器動力與控制

前言

本書的目標(biāo)是給讀者提供基本的衛(wèi)星控制的工程觀念。根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)，從一開始就傳授的眾多事項(xiàng)中，最重要的一點(diǎn)就是工程實(shí)踐的實(shí)際情況。從理論上講，“良好”的解決方案會很大程度上受到制約，特別是當(dāng)設(shè)計流程的后面階段出現(xiàn)實(shí)際問題的時候（例如，傳感器噪聲放大、不可預(yù)期的時延、控制飽和效應(yīng)、結(jié)構(gòu)模式等）。這時控制算法必須要重新設(shè)計，造成不可避免的時間上的損失和整個計劃的推遲。早期的對于這些效應(yīng)的預(yù)期，能夠很大程度地縮短設(shè)計流程。因此，在初步的設(shè)計階段，最重要的就是分析飛行器控制任務(wù)工程解決方案的不同理念，這樣才能從一開始就選擇一個正確的方案。這也就是為什么對于一個給定的控制任務(wù)來說，會建議提出幾個方法方案來。這本書的部分材料已經(jīng)被用于一個單學(xué)期的課程“飛行器動力和控制”。這門課是特拉維夫大學(xué)自1986年開始開設(shè)的，并且最近也在位于以色列海法Technion的以色列技術(shù)學(xué)院中開設(shè)。這本書所有的材料都適用于一門長達(dá)兩學(xué)期的課程。這本書可以被用于引導(dǎo)性的研究生課程或者高級的本科課程，還可以提供給進(jìn)行工程實(shí)踐的工程師。看這本書的前提是預(yù)先學(xué)習(xí)了自動控制、連續(xù)抽樣及力學(xué)方面的課程，也就是以線性代數(shù)、線性系統(tǒng)、拉普拉斯變換和動力學(xué)為假設(shè)基礎(chǔ)的。盡管本書大部分章節(jié)都是獨(dú)立的，但是還是推薦讀者按照順序來讀這本書。為了獲得對于本書內(nèi)容方面的一個大概認(rèn)識，推薦首先進(jìn)行初步的瀏覽——這將對第二遍的或更進(jìn)一步的閱讀有巨大的幫助?，F(xiàn)代的飛行器控制概念是基于大量的物理現(xiàn)象的選擇：單自旋或雙自旋穩(wěn)定，重力梯度姿態(tài)控制，三軸穩(wěn)定，偏置動量穩(wěn)定，太陽的、磁的或反作用力的扭矩穩(wěn)定。在選擇一種作為工程的解決方案之前，掌握每一種方案的性質(zhì)是十分關(guān)鍵的。因此，各種理念會得到論述、分析，并在足夠的深度進(jìn)行比較，以此確保讀者能夠做出正確的選擇。附錄B和附錄C詳細(xì)介紹了空間在軌硬件，這些硬件對于任何實(shí)際工程解決方案都是很必要的。不同控制件的技術(shù)規(guī)格都羅列出來，以方便參閱。

內(nèi)容概要

本書譯自以色列飛機(jī)工業(yè)公司和特拉維夫大學(xué)的marcel j．sidi博士《spacecraft dynamics and control：a practical engineering approach》一書，主要介紹航天器動力學(xué)與控制的基本理論和衛(wèi)星實(shí)踐，重點(diǎn)分析和解決現(xiàn)實(shí)的工程問題。內(nèi)容涵蓋軌道動力學(xué)、姿態(tài)動力學(xué)、重力梯度穩(wěn)定、單自旋和雙自旋穩(wěn)定、姿態(tài)機(jī)動、姿態(tài)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)動力學(xué)和液體晃動等。本書不僅可用于航天領(lǐng)域工程設(shè)計人員的參考用書，也可作為航天專業(yè)學(xué)生的教材。

作者簡介

作者：（英國）西迪（Marcel J.Sidi） 譯者：楊保華

書籍目錄

第1章 導(dǎo)論   1.1 概述   1.2 描述實(shí)例   1.3 本書要點(diǎn)   1.4 符號和縮寫 第2章 軌道動力學(xué)   2.1 基本原理   2.2 二體問題   2.3 動量矩   2.4 一個物體在中心力場中的運(yùn)動方程   2.5 時間和開普勒軌道   2.6 空間中的開普勒軌道     2.7 攝動軌道：非開普勒軌道   2.8 攝動力和它們對于軌道的影響   2.9 攝動的地球靜止軌道   2.10 歐拉—希爾方程   2.11 小結(jié) 第3章 軌道機(jī)動   3.1 引言   3.2 單脈沖軌道調(diào)整   3.3 多脈沖軌道調(diào)整   3.4 地球靜止軌道   3.5 地球靜止軌道修正   3.6 小結(jié) 第4章 姿態(tài)動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)   4.1 引言   4.2 角動量和慣量矩陣   4.3 剛體的轉(zhuǎn)動動能   4.4 選定坐標(biāo)系下的慣量矩矩陣   4.5 歐拉力矩方程   4.6 自旋體轉(zhuǎn)動運(yùn)動的特性   4.7 非自旋航天器姿態(tài)運(yùn)動學(xué)方程   4.8 非自旋衛(wèi)星的姿態(tài)動力學(xué)方程   4.9 小結(jié) 第5章 重力梯度穩(wěn)定   5.1 引言   5.2 基本姿態(tài)控制方程   5.3 重力梯度姿態(tài)控制   5.4 小結(jié) 第6章 單自旋穩(wěn)定和雙自旋穩(wěn)定   6.1 引言   6.2 △v階段的姿態(tài)自旋穩(wěn)定   6.3 主動章動控制   6.4 主動章動控制中的燃料耗散估計   6.5 衛(wèi)星消旋和消章動   6.6 單自旋穩(wěn)定   6.7 雙自旋穩(wěn)定   6.8 小結(jié) 第7章 空間姿態(tài)機(jī)動   7.1 引言   7.2 基本控制律方程   7.3 用動量交換裝置進(jìn)行控制   7.4 磁矩姿態(tài)控制   7.5 角動量交換裝置的磁卸載   7.6 時間最優(yōu)的姿態(tài)控制   7.7 反作用輪的技術(shù)特點(diǎn)   7.8 小結(jié) 第8章 偏置動量姿態(tài)穩(wěn)定   8.1 引言   8.2 無主動控制的姿態(tài)穩(wěn)定   8.3 主動姿態(tài)控制   8.4 采用磁力矩控制衛(wèi)星的滾動一偏航姿態(tài)   8.5 使用衛(wèi)星慣性積的章動控制方案   8.6 使用太陽力矩進(jìn)行滾動一偏航姿態(tài)控制   8.7 使用雙動量輪實(shí)現(xiàn)滾動一偏航姿態(tài)控制   8.8 反作用力推力器姿態(tài)控制   8.9. 小結(jié) 第9章 反作用推力器姿態(tài)控制   9.1 引言   9.2 反作用推力器控制的組成   9.3 反作用力矩及姿態(tài)控制回路   9.4 通過脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)反作用姿態(tài)控制   9.5 僅采用4個推力器的反作用控制系統(tǒng)   9.6 反作用控制和結(jié)構(gòu)動力學(xué)   9.7 小結(jié) 第10章 結(jié)構(gòu)動力學(xué)與液體晃動   10.1 引言   10.2 大陽帆板建模   10.3 特征值和特征向量   10.4 液體晃動建模   10.5 結(jié)構(gòu)與液體晃動的動力學(xué)綜合建模   10.6 開環(huán)增益的約束條件   10.7 小結(jié) 附錄a 空間姿態(tài)變換 附錄b 姿態(tài)測量硬件 附錄c 軌道與姿態(tài)控制硬件

章節(jié)摘錄

插圖：第4章致力于繞過質(zhì)心某轉(zhuǎn)軸的基本轉(zhuǎn)動方程，引入了通常使用的角動量和轉(zhuǎn)動動能的概念來定義物體的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。接下來，以歐拉力矩方程作為基礎(chǔ)分析了旋轉(zhuǎn)體當(dāng)存在和不存在內(nèi)部能量耗散情況下的角度穩(wěn)定性問題。這一章還推導(dǎo)了非自旋航天器的線性化角運(yùn)動方程，這對于設(shè)計反饋?zhàn)藨B(tài)控制系統(tǒng)來說是必需的。第5章主要是針對衛(wèi)星的重力梯度穩(wěn)定問題。重力梯度控制是穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)的一種被動方法。原則上，重力梯度姿態(tài)控制系統(tǒng)是無阻尼的。本章分析了主動阻尼和被動阻尼，并且強(qiáng)調(diào)了由于環(huán)境情況產(chǎn)生的姿態(tài)穩(wěn)定的不精確性。第6章討論了單自旋和雙自旋穩(wěn)定問題。單自旋穩(wěn)定方式通常被用來在變軌過程中保持推力矢量的方向不變。這一章討論了存在寄生干擾扭矩的情況下，保持推力矢量方向在允許的范圍內(nèi)所需的最小旋轉(zhuǎn)速率。還分析了衛(wèi)星在變軌末期和消章動階段的主動章動控制和消旋控制。對主動章動控制和消旋一消章動控制的燃料消耗量給出了分析評估。提供了一個設(shè)計例子。單自旋特性也被用于自轉(zhuǎn)軸與軌道面垂直的衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定方面，這保證了通信載荷能夠持續(xù)地掃描地球并且提供通信鏈接。由于作用于衛(wèi)星的寄生干擾力矩，章動運(yùn)動會被激發(fā)，因此衛(wèi)星必須始終具有阻尼。根據(jù)衛(wèi)星不同的轉(zhuǎn)動慣量，采用被動的或者主動的阻尼來進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)的控制；后面會分析各種阻尼方案。雙自旋穩(wěn)定被研發(fā)以通過確保通信天線持續(xù)指向地球來提高自旋衛(wèi)星的通信效率。在這種控制理念中，被動章動阻尼能夠通過能量消耗來實(shí)現(xiàn)。穩(wěn)定的條件也得到明確的表述。第7章關(guān)注飛行器的三軸姿態(tài)穩(wěn)定和機(jī)動。在這些衛(wèi)星中，并沒有加裝恒定的角動量來保持某一個軸在空間穩(wěn)定，所以姿態(tài)控制是通過同時控制三個軸來實(shí)現(xiàn)的。對于小角度的姿態(tài)機(jī)動，通常歐拉角是一個描述衛(wèi)星相對于太空中某確定坐標(biāo)系的姿態(tài)的清晰方法。然而，對于大的姿態(tài)改變，采用方向余弦矩陣和四元數(shù)矢量來描述姿態(tài)運(yùn)動更加有效。本章從姿態(tài)控制律的詳細(xì)討論開始。動量交換裝置被用來提供精確的姿態(tài)控制力矩。本章和后續(xù)章節(jié)將介紹這些叫做反作用輪和動量輪的裝備并建立模型。如果一個外在的慣性干擾作用于1顆有姿態(tài)控制的衛(wèi)星，那么剩余的角動量就會累積在動量輪上。通過磁力矩器阻尼動量輪上的這些動量的控制方案得到分析和仿真。姿態(tài)敏感器和控制器存在固有噪聲。當(dāng)設(shè)計一個控制回路時，這些噪聲需要使用基于統(tǒng)計的線性控制理論來進(jìn)行考慮。由于這些噪聲所需要進(jìn)行的設(shè)計流程的權(quán)衡得到闡述。為了增強(qiáng)姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）的可靠性和控制能力，有時候會用到超過三個的反作用輪。第7章分析了計算控制力矩的不同輪之間的最優(yōu)分配問題。包括關(guān)于單體軸的時間最優(yōu)姿態(tài)機(jī)動。第7章的最后一個部分主要針對基于姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）需求的特定的反作用輪的技術(shù)參數(shù)確定。

編輯推薦

《航天器動力與控制》由航空工業(yè)出版社出版。

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