航天器控制原理自測(cè)試題三

航天器控制原理自測(cè)試題三 一、名詞解釋(15)1、本體坐標(biāo)系2、偏置動(dòng)量輪3、主動(dòng)控制系統(tǒng)4、大圓弧軌跡機(jī)動(dòng)5、慣性導(dǎo)航二、簡(jiǎn)答題(60%)1、闡述航天器基本系統(tǒng)組成及各部分作用。2、引力參數(shù)u是如何定義的？3、敘述質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量矩定理及其守恒條件。4、敘述雙軸模擬式太陽(yáng)敏感器的工作原理，并繪出原理結(jié)構(gòu)圖。5、為了確保穩(wěn)定性，對(duì)慣量比有什么要求？6、畫(huà)出噴氣三軸姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理框圖。簡(jiǎn)述噴氣推力姿態(tài)穩(wěn)定的基本原理。7、自旋穩(wěn)定衛(wèi)星噴氣姿態(tài)機(jī)動(dòng)的原理是什么？噴氣角的選擇為什么不能過(guò)??？8、GPS有哪幾部分組成，各有什么功用。9、舉例說(shuō)明載人飛船的主要構(gòu)造。10、航天飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成是什么？哪些可以重復(fù)使用，那些不可以？三、推導(dǎo)題（15）1、證明在僅有二體引力的作用下，航天起的機(jī)械能守恒。2、推導(dǎo)歐拉力矩方程式。四、計(jì)算題（10）已知一自旋衛(wèi)星動(dòng)量矩H=3500Kgm2/s，自旋角速度為=60r/min，噴氣力矩Mc=40Nm，噴氣角為=40。，要求自旋進(jìn)動(dòng)c=80。問(wèn)噴氣一次自旋進(jìn)動(dòng)多少？總共需要多少次和多長(zhǎng)時(shí)間才能完成進(jìn)動(dòng)？航天器控制原理自測(cè)試題三答案一、名詞解釋151、本體坐標(biāo)系答：又稱(chēng)為星體坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系中，原點(diǎn)0在航天器質(zhì)心，Ox，Oy，Oz三軸固定在航天器本體上。若Ox，Oy，Oz三軸為航天器的慣量主軸，則該坐標(biāo)系稱(chēng)為主軸坐標(biāo)系。2、偏置動(dòng)量輪答：如果飛輪的平均動(dòng)量矩是一個(gè)不為零的常值偏置值，也就是說(shuō)飛輪儲(chǔ)存了一個(gè)較大的動(dòng)量矩，飛輪的轉(zhuǎn)速可以相對(duì)于偏置值有一定的變化，從而產(chǎn)生控制力矩。具有這種特點(diǎn)的飛輪稱(chēng)為動(dòng)量輪或偏置動(dòng)量輪。3、主動(dòng)控制系統(tǒng)答：航天器主動(dòng)式姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制力矩來(lái)自于航天器上的能源，它屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。4、大圓弧軌跡機(jī)動(dòng)答：若要求自旋軸在天球上描繪的軌跡是大圓弧，那么自旋軸必須在同一平面內(nèi)從初始方向機(jī)動(dòng)到目標(biāo)方向，所以每次噴氣產(chǎn)生的橫向控制力矩必須在此平面內(nèi)，即推力器噴氣的相位相對(duì)于空間慣性坐標(biāo)系是固定的。此為大圓弧軌跡機(jī)動(dòng).5、慣性導(dǎo)航答：它主要由慣性測(cè)量裝置、計(jì)算機(jī)和穩(wěn)定平臺(tái)(捷聯(lián)式?jīng)]有穩(wěn)定平臺(tái))組成。通過(guò)陀螺和加速度計(jì)測(cè)量航天器相對(duì)于慣性空間的角速度和線加速度，并由計(jì)算機(jī)推算出航天器的位置、速度和姿態(tài)等信息。因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也是航天器的自備式航位推算系統(tǒng)。二、簡(jiǎn)答題1、闡述航天器基本系統(tǒng)組成及各部分作用。答：（1）有效載荷用于直接完成特定的航天飛行任務(wù)的部件儀器或分系統(tǒng)。 （2）保障系統(tǒng)用于保障航天器從火箭起飛到工作壽命終止，星上所有分系統(tǒng)的正常工作2、引力參數(shù)u是如何定義的？答：在航天器的運(yùn)行中，航天器的質(zhì)量m比天體M小得多，所以有定義GM為引力參數(shù).3、敘述質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量矩定理及其守恒條件。答：質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量矩定理即質(zhì)點(diǎn)對(duì)任意固定點(diǎn)的動(dòng)量矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，等于該質(zhì)點(diǎn)所受的力對(duì)同一點(diǎn)的矩。這就是質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量矩定理。若=O，則=常矢量。即若質(zhì)點(diǎn)所受的合力對(duì)某固定點(diǎn)的矩恒等于零，則質(zhì)點(diǎn)對(duì)同一點(diǎn)的動(dòng)量矩守恒。該結(jié)論說(shuō)明了質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量矩守恒的條件。4、敘述雙軸模擬式太陽(yáng)敏感器的工作原理，并繪出原理結(jié)構(gòu)圖。答：將單軸模擬式太陽(yáng)敏感器中的兩塊光敏元件換為4塊性能完全相同的光敏元件，并按如圖所示的方式配置，則當(dāng)太陽(yáng)光線以垂直入射時(shí)，4塊光敏元件輸出相等；當(dāng)太陽(yáng)光線偏離垂直位置時(shí)，4塊光敏元件的輸出不等。對(duì)這些光敏元件的輸出信號(hào)通過(guò)處理電路加以處理后，就可得到太陽(yáng)光線入射的高低角和方位角，從而同時(shí)獲得航天器相對(duì)于太陽(yáng)光線的兩個(gè)姿態(tài)角。 結(jié)構(gòu)如圖： 5、為了確保穩(wěn)定性，對(duì)慣量比有什么要求？答：定義自旋軸慣量與橫向軸慣量之比為慣量比，即 則自旋衛(wèi)星的穩(wěn)定準(zhǔn)則就可以總結(jié)如下： 若，衛(wèi)星是短粗的，短粗衛(wèi)星自旋運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。 若，衛(wèi)星是細(xì)長(zhǎng)的，細(xì)長(zhǎng)衛(wèi)星自旋運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。注意，在工程上為了確保穩(wěn)定性，應(yīng)設(shè)計(jì)至少。6、畫(huà)出噴氣三軸姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理框圖。答：圖為噴氣三軸姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。 7、推力器的工作時(shí)間為什么不能過(guò)??？答：推力器工作時(shí)間過(guò)短，會(huì)帶來(lái)以下三方面的困難： (1)噴氣時(shí)間越短，脈沖越窄，推力器在技術(shù)上越難實(shí)現(xiàn)； (2)噴氣脈沖越窄，重復(fù)性越差； (3)噴氣脈沖越窄，每次噴氣產(chǎn)生的沖量越小，機(jī)動(dòng)時(shí)間就越長(zhǎng)。8、GPS有哪幾部分組成，各有什么功用。答：全球定位系統(tǒng)是以衛(wèi)星作為導(dǎo)航臺(tái)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，由三部分組成。 (1) 導(dǎo)航衛(wèi)星：是空間導(dǎo)航臺(tái)，它接收和儲(chǔ)存地面站制備的導(dǎo)航信號(hào)，再依次向用戶(hù)發(fā)射。它接收來(lái)自地面站的控制指令并向地面站發(fā)射衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)。 (2) 地面站組：包括主控站、監(jiān)測(cè)站、注入站等多種地面站和計(jì)算中心。地面站組收集來(lái)自衛(wèi)星及與系統(tǒng)工作有關(guān)的信息源的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，產(chǎn)生導(dǎo)航信號(hào)和控制信號(hào)，再由地面站發(fā)送給衛(wèi)星。 (3) 用戶(hù)設(shè)備：用于接收和處理導(dǎo)航信號(hào)，進(jìn)行定位計(jì)算和導(dǎo)航。對(duì)于航天器而言，用戶(hù)設(shè)備屬于星載設(shè)備。GPS系統(tǒng)采用無(wú)源工作方式，這給航天器定位帶來(lái)很大方便。9、載人飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)工作有哪兒條信息傳輸渠道?答：飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)工作一般可有三條不同的渠道： 第一，由地面雷達(dá)監(jiān)視飛船，并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)傳給地面控制中心的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)將飛船目前的位置與速度由通信系統(tǒng)通知飛船的導(dǎo)航與制導(dǎo)計(jì)算機(jī)； 第二，飛船本身的慣性測(cè)量?jī)x器測(cè)出的飛船方向和速度的變化，提供給飛船計(jì)算機(jī)； 第三，航天員在飛船上進(jìn)行天體觀測(cè)所得的位置與速度數(shù)據(jù)也通過(guò)鍵盤(pán)輸人飛船計(jì)算機(jī)。10、航天飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成是什么？哪些可以重復(fù)使用，那些不可以？答：航天飛機(jī)系統(tǒng)的三大部件：軌道器，外儲(chǔ)箱和助推器。 第一部件是軌道器，即航天飛機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。航天飛機(jī)系統(tǒng)的第二個(gè)部件是外儲(chǔ)箱，它的作用就是為航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)存入軌前所用的全部推進(jìn)劑。兩臺(tái)固體火箭助推器是航天飛機(jī)系統(tǒng)的第三個(gè)部件，它平行地安裝在外儲(chǔ)箱的兩側(cè)，航天飛機(jī)的下方?？梢灾貜?fù)利用的是軌道器，固體火箭助推器。外儲(chǔ)箱不可以重復(fù)利用。三、推導(dǎo)題151、證明在僅有二體引力的作用下，航天起的機(jī)械能守恒。 證明：由二體運(yùn)動(dòng)方程+0 用與上式作叉乘，且=，；可得 .+.+.0 因?yàn)橛蛇\(yùn)算法則,所以 +0 并且注意到和 故 式中c位常數(shù)，因此下式定義的量必定為常數(shù)： =常數(shù) 其中為比機(jī)械能。因此可知： 比機(jī)械能守恒。即命題得證。2、推導(dǎo)歐拉力矩方程式。解：設(shè)航天器在空間以角速度旋轉(zhuǎn)，其動(dòng)量矩為。為了方便起見(jiàn)，基準(zhǔn)點(diǎn)選航天器本體坐標(biāo)系Oxyz的原點(diǎn)，也即航天器質(zhì)心0，是作用在航天器相對(duì)于質(zhì)心0的合外力矩，所以航天器的動(dòng)量矩即為 (7)式中，矢量，是剛體內(nèi)相對(duì)于質(zhì)心的矢徑；塞是質(zhì)量元dm在空間相對(duì)于質(zhì)心的速度矢量；m為航天器的總質(zhì)量。于是在本體坐標(biāo)系中，剛體的和可以分別表示成 (8) (9) (10) (11)式中，是航天器本體坐標(biāo)系各軸的單位矢量，上兩式右端的系數(shù)則是相應(yīng)矢量沿各坐標(biāo)軸的分量。將式（9）對(duì)時(shí)間t求取導(dǎo)數(shù)，求動(dòng)量矩在空間的變化率，即 (12)由于剛體在空間中以的角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，所以與其固連的本體坐標(biāo)系各軸方向也在相應(yīng)變化。以知坐標(biāo)軸單位矢量的導(dǎo)數(shù)公式是 (13)代入式(11),并根據(jù)動(dòng)量矩定理得 (14)因 所以式（3.27）在航天器本體坐標(biāo)系中可以展開(kāi)為(15)其在各軸的分量表示為 (17a)或表示成矩陣矢量形式，即 (17b)式(17a)或(17b