航天器控制原理

航天器控制原理自測試題一一、名詞解釋（15％）1、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)2、慣性輪3、姿態(tài)機(jī)動(dòng)控制4、空間導(dǎo)航5、空間站的姿態(tài)控制二、簡答題（60％）1、航天器按載人與否是如何分類的？各類航天器的作用和特點(diǎn)是什么？請(qǐng)舉出你所知的各類航天器的國內(nèi)外的例子。2、開普勒三大定律是什么？牛頓三大定律是什么？3、分析描述航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)常用的參考坐標(biāo)系之間的相對(duì)關(guān)系。4、畫出航天器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并敘述其原理。5、液體環(huán)阻尼器有什么特點(diǎn)，適用于什么場合？6、寫出衛(wèi)星姿態(tài)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉動(dòng)力學(xué)方程。7、主動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)包括哪幾種方式？8、推力器的工作時(shí)間為什么不能過??？9、簡述導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的功能，及其為實(shí)現(xiàn)此功能而必須完成的工作。10、 載人飛船在結(jié)構(gòu)上較一般衛(wèi)星有什么特點(diǎn)？三、推導(dǎo)題（15％）1、 利用牛頓萬有引力定律推導(dǎo)、分析航天器受N體引力時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程，并闡述簡化為二體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的合理性。8%2、 推導(dǎo)Oxyz和OXYZ兩坐標(biāo)系之間按“1-2-3”順序旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和逆變換矩陣，并在小角度假設(shè)下予以線性化。7%四、計(jì)算題（10％）已知一自旋衛(wèi)星動(dòng)量矩H=2500Kg?m2/s,自旋角速度為W=60r/min,噴氣力矩Mc=20N?m,噴氣角為Y=45。，要求自旋進(jìn)動(dòng)0c=90。。問噴氣一次自旋進(jìn)動(dòng)多少？總共需要多少次和多長時(shí)間才能完成進(jìn)動(dòng)？航天器控制原理自測試題一答案詞解釋（15％）態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)天器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)是從幾何學(xué)的觀點(diǎn)來研究航天器的運(yùn)動(dòng),它只討論航天器運(yùn)動(dòng)的幾何性質(zhì),不涉及產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和改變運(yùn)動(dòng)的性輪j飛輪的支承與航天器固連時(shí)，飛輪動(dòng)量矩方向相對(duì)于航天器本體坐標(biāo)系Oxyz不變，但飛輪的轉(zhuǎn)速可以變化，這種工作方式的常稱為慣性輪。態(tài)機(jī)動(dòng)控制態(tài)機(jī)動(dòng)控制是研究航天器從一個(gè)初始姿態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)姿態(tài)的再定向過程。如果初始姿態(tài)未知，例如當(dāng)航天器與運(yùn)載工具分天器還處在未控狀態(tài)；或者由于受到干擾影響，航天器姿態(tài)不能預(yù)先完全確定，那么特地把這種從一個(gè)未知姿態(tài)或者未控姿到預(yù)定姿態(tài)的過程稱為姿態(tài)捕獲或?qū)?zhǔn)。間導(dǎo)航天器軌道的變化也稱為空間導(dǎo)航，包括軌道確定和軌道控制兩個(gè)方面，由導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)完成。間站的姿態(tài)控制間站姿態(tài)控制分為姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機(jī)動(dòng)兩部分。姿態(tài)穩(wěn)定又分為兩種情況：第一種情況為對(duì)地球指向穩(wěn)定，主要為與地面通信有關(guān)的數(shù)據(jù)傳遞提供穩(wěn)定姿態(tài)。第二種情況，姿態(tài)控制精度由有效載荷或者在空間站進(jìn)行的有關(guān)實(shí)驗(yàn)提出，此種精度要求視荷和實(shí)驗(yàn)研究的不同而不同。答題（60％）天器按載人與否是如何分類的？各類航天器的作用和特點(diǎn)是什么？請(qǐng)舉出你所知的各類航天器的國內(nèi)外的例子。分為無人航天器和載人航天器兩類。者，它的作用和特點(diǎn)是：對(duì)地球進(jìn)行觀測或進(jìn)行宇宙探測。者，它的作用和特點(diǎn)是；進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)或航天運(yùn)輸。無人航天器有：東方紅一號(hào)、風(fēng)云一號(hào)、風(fēng)云二號(hào)、金星1號(hào)、水手2號(hào)等載人航天器有：神州五號(hào)、和平號(hào)、阿波羅號(hào)等。普勒三大定律是什么？牛頓三大定律是什么？答：開普勒三大定律是：橢圓律——每個(gè)行星沿橢圓軌道繞太陽運(yùn)行，太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。面積律——由太陽到行星的失徑在相等的時(shí)間間隔內(nèi)掃過相等的面積。周期律一一行星繞太陽公轉(zhuǎn)的周期T的平方與橢圓軌道的長半徑的立方成正比。大定律是：動(dòng)定律——任一物體將保持其靜止或是勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非有作用在物體上的力強(qiáng)迫其改變這種狀態(tài)。第二運(yùn)動(dòng)定律——?jiǎng)恿孔兓俾逝c作用力成正比，且與作用力的方向相同。第三運(yùn)動(dòng)定律——對(duì)每一個(gè)作用正存在一個(gè)大小相等的反作用。析描述航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)常用的參考坐標(biāo)系之間的相對(duì)關(guān)系。（3）坐標(biāo)系形式很多，每種坐標(biāo)系都有其自己的特點(diǎn)，因此也就只適用于一定的范圍，所以根據(jù)具體情況選擇坐標(biāo)系是必要的。一般來說，討論航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)常用的坐標(biāo)系，主要有4種。1．慣性坐標(biāo)系OXYZ所有的運(yùn)動(dòng)都要參照的基本坐標(biāo)系是慣性坐標(biāo)系，按一般意義講，它是相對(duì)于恒星固定的坐標(biāo)系。但實(shí)際情況表明，慣系僅僅是在所研究的時(shí)間間隔內(nèi)能夠滿足精度要求的基準(zhǔn)坐標(biāo)系。對(duì)于這里所考慮的絕大多數(shù)問題來講，選擇一個(gè)不會(huì)使問超出期望精度范圍的坐標(biāo)系就足夠了。例如，衛(wèi)星繞地球的軌道運(yùn)動(dòng)就可以用地心赤道坐標(biāo)系，也稱為地心慣性坐標(biāo)系；又開究星際航行（如宇宙探測器）時(shí)，往往把原點(diǎn)O點(diǎn)放在太陽中心，坐標(biāo)軸相對(duì)于恒星不旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系就是一個(gè)合適的慣性坐2．質(zhì)心平動(dòng)坐標(biāo)系OXYZ這是一個(gè)與慣性坐標(biāo)系密切相關(guān)的坐標(biāo)系。原點(diǎn)O位于航天器質(zhì)心，OX，OY，OZ軸分別與某一慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸保持平3．質(zhì)心軌道坐標(biāo)系3．質(zhì)心軌道坐標(biāo)系Oxyz000簡稱軌道坐標(biāo)系。這是一個(gè)以航天器質(zhì)心為原點(diǎn)的正交坐標(biāo)系，如圖3.1所示。Oxo軸沿軌道平面與當(dāng)?shù)厮矫娴慕绘汕斑M(jìn)方向，Oz0軸沿當(dāng)?shù)卮咕€指向地心，Oyo軸垂直于軌道平面。這個(gè)坐標(biāo)系在空間以角速度°0，即航天器的軌道角速丿?yo軸旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)方向與Oyo軸的方向相反。體坐標(biāo)系Oxyz又稱為星體坐標(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三軸為的慣量主軸，則該坐標(biāo)系稱為主軸坐標(biāo)系。畫出航天器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并敘述其原理。畫出航天器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并敘述其原理。天器控制系統(tǒng)在原理上和其他工程控制系統(tǒng)基本上是一樣的，完成三個(gè)最基本的過程：敏感測量、信號(hào)處理和執(zhí)行過程。仍敏感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大部分組成。敏感器用以測量某些絕對(duì)的或相對(duì)的物理量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)起控制作用，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力生控制信號(hào)所要求的運(yùn)動(dòng)，控制器則擔(dān)負(fù)起信號(hào)處理的任務(wù)。體環(huán)阻尼器有什么特點(diǎn)，適用于什么場合？體環(huán)阻尼器有二種，環(huán)面垂直于自旋軸或平行于自旋軸，前者用于早期高速自旋的衛(wèi)星上。由于一系列的因素，自旋速率不宜2此采用環(huán)面平行于自旋軸的阻尼器，提高阻尼效率。環(huán)的形狀有圓形，方形或U字形，環(huán)內(nèi)充滿或只充部分黏性液體。星體，液體在環(huán)內(nèi)周期性地來回流動(dòng)，利用液體內(nèi)部的黏滯剪切力矩來耗散章動(dòng)能量。液體環(huán)阻尼器沒有彈簧特性，不能儲(chǔ)存能此沒有諧振特性，阻尼效率較差，只能用于激勵(lì)頻率較高的場合。由于阻尼器內(nèi)部沒有機(jī)械活動(dòng)部件，可靠性很高，剩余章小，這是最顯著的優(yōu)點(diǎn)。并且這種阻尼器的安裝部位比較靈活，只要求球面平行于自旋軸。

出衛(wèi)星姿態(tài)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉動(dòng)力學(xué)方程。1星姿態(tài)自由轉(zhuǎn)動(dòng)(M=0)的歐拉動(dòng)力學(xué)方程即可由式(3.33)得doxdtzxdozxh+oo

dt xzdoz+oo

dt xy式中，°x，①J,°z是衛(wèi)星對(duì)空間的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速?在本體坐標(biāo)系OXyZ各軸上的分量。要分析自旋體自由運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，必拉動(dòng)力學(xué)方程式(5.1)中解出星體角速率動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)包括哪幾種方式？二動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)由敏感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，敏感器的作用是測量星體的姿態(tài)角9叩，申或角速度?'業(yè)，可利用纟儀、太陽敏感器、各種陀螺儀等實(shí)現(xiàn)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是產(chǎn)生影響航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的外力矩或內(nèi)力矩；控制器綜合敏感器的息，產(chǎn)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作所遵循的控制規(guī)律以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與被動(dòng)穩(wěn)定方案比較，主動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)是可以保證更高度和快速性，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，降低了可靠性，且增加了能源消耗，因此適用于高精度要求和大擾動(dòng)力矩的情形。力器的工作時(shí)間為什么不能過?。苛ζ鞴ぷ鲿r(shí)間過短，會(huì)帶來以下三方面的困難：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)；噴氣脈沖越窄，重復(fù)性越差；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。述導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的功能，及其為實(shí)現(xiàn)此功能而必須完成的工作。天器導(dǎo)航系統(tǒng)的功能就是軌道確定。它回答以下問題：“航天器在哪里?朝什么方向飛行?飛行速度是多少?”這些都屬于航天學(xué)的幾何學(xué)性質(zhì)問題，因此需要選定一個(gè)參考坐標(biāo)系以及在這個(gè)坐標(biāo)系中航天器等運(yùn)動(dòng)物體的定位方法。對(duì)地球衛(wèi)星來說，出在地心慣性坐標(biāo)系中航天器的三維位置及3個(gè)速度分量，就可以很方便地轉(zhuǎn)換成人們所熟悉的軌道六要素。航天器制導(dǎo)系統(tǒng)的功能是控制推力和升力的使用以達(dá)到希望的新軌道和著陸點(diǎn)。從廣義上講，軌道控制就是制導(dǎo)問題。即對(duì)按引規(guī)律運(yùn)動(dòng)的航天器進(jìn)行控制，從而使航天器按預(yù)定軌道運(yùn)動(dòng)。簡單地說，就是控制航天器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的速度大小和方向，使的軌道滿足飛行任務(wù)的要求?？刂坪教炱鞯乃俣纫话悴捎孟铝锌刂屏Γ悍醋饔猛屏?、氣動(dòng)力、太陽輻射壓力、磁力和其他非的力。軌道控制范圍很廣，大致包括的內(nèi)容有軌道機(jī)動(dòng)、軌道保持、交會(huì)、對(duì)接、再入返回和落點(diǎn)控制等。人飛船在結(jié)構(gòu)上較一般衛(wèi)星有什么特點(diǎn)？于航天員的存在，就必須考慮他們的不同活動(dòng)方式及其安全，所以載人飛船飛行目的的提出和實(shí)施完全建立在另一個(gè)基礎(chǔ)上導(dǎo)題15％用牛頓萬有引力定律推導(dǎo)、分析航天器受N體引力時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程，并闡述簡化為二體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的合理性。8%解：設(shè)n個(gè)物體的位置為V…1，由牛頓萬有引力定律，可得出作用在i作用在i上的力為再由牛頓第二定律：(再由牛頓第二定律：(mv)=F

dtii 總Gmmr=一 i n(r)gnr3ninir二r-r式中niin，作用在第2個(gè)物體上的所有引力的矢量和為F=-Gm工t(r)g ir3jij=1jij知由于星體還有其它外力的作用，所以有：F=F+F總g其它干擾F=F+F+F+干擾其它阻力推力太陽壓力對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)展開，得到：dvdmmi+Vi=F

idridt由是可得第i個(gè)物體的一般運(yùn)動(dòng)方程為：mimi..F。

r=總一rmimiimi假設(shè)只存在引力，將上式簡化為假設(shè)m2為一個(gè)繞地球運(yùn)行的航天器,二hi=2的情況，可寫出具體的方程形式:r=-g工1假設(shè)m2為一個(gè)繞地球運(yùn)行的航天器,二hi=2的情況，可寫出具體的方程形式:r=-g工1m一(r)

r3 j1j=2j1r=r-r再由式niin，可得：rr=-g工im1為地球，nm=-g乙亠(r)r3j2

j=1ji

j豐2=r-r12mj(r)jir3j=1jij知而余下的m3,m4, ,mn可以是月球，太陽，和其他行星，于是對(duì)1）2）于是可得：r于是可得：r21=r1-r2將（1），（2）式代入（3）式，可得：因?yàn)閞=因?yàn)閞=-r1221，所以：..nmnmr二g乙―(r)-g乙—21 r3 j2 r3/=1j2 j=2j1J豐2r=-G(mi+l)(r)+》Gm(rj2-rji)21 r3 21 jr3 r321 j=3 j2 j1上式即為航天器受體引力的運(yùn)動(dòng)方程，方程等號(hào)右邊第二項(xiàng)代表月球，太陽及其他行星對(duì)近地航天器的攝動(dòng)影響。由于航天器和地球間的引力與航天器和其他星體的引力相比大得多，所以可以忽略其他星體的引力，也就是可以把航天器轉(zhuǎn)化為二體運(yùn)動(dòng)問題。導(dǎo)Oxyz和OXYZ兩坐標(biāo)系之間按“1-2-3”順序旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和逆變換矩陣，并在小角度假設(shè)下予以線性化。DOxoyozot繞Oxo(“i”)轉(zhuǎn)?角-O郵丫‘)OttE丫't繞O0'(“2”)轉(zhuǎn)9角TOa0Y)Oa0YT繞Oy(“3”)轉(zhuǎn)屮角)Oa0YT繞Oy(“3”)轉(zhuǎn)屮角TOxyz?標(biāo)系Oxyz和OXoyoZo之間的坐標(biāo)變換關(guān)系即為(3.10)式中(3.11)一cos申cos屮sin0+sin申sin屮

cos申sin0sin屮+sin申cos屮

cos申cos0cos0cos屮sin申一cos申cos屮sin0+sin申sin屮

cos申sin0sin屮+sin申cos屮

cos申cos0sin0 一sin申cos0os0cos屮sin申sin0os0cos屮sin申sin0cos屮+cos申sin屮

一cos申cos屮sin0+sin申sin屮一sin申sin0sin屮+cos申cos屮一sin申cos0

cos申sin0sin屮+sin申cos屮 cos申cos0同樣可得按照2-3-1,3-1-2,1-3-2,2-1-3,3-2-1等不同轉(zhuǎn)動(dòng)順序的變換關(guān)系。當(dāng)'0"血時(shí)，即在小角度變化，B可近似為-1-1屮一0B=一屮190一91（3．13）其中歐拉角0“'9分別稱為俯仰角、偏航角和滾動(dòng)角，而Oz,oy,Oz軸分別稱為航天器的滾動(dòng)。算題10％知一自旋衛(wèi)星動(dòng)量矩H=2500Kg?m2/s,自旋角速度為w=60r/min,噴氣力矩Mc=20N?m,噴氣角為Y=45。,要求自旋進(jìn)動(dòng)0c噴氣一次自旋進(jìn)動(dòng)多少？總共需要多少次和多長時(shí)間才能完成進(jìn)動(dòng)？Y 45。AT=丄=―5—=0.125s解：每轉(zhuǎn)一圈的噴氣時(shí)間為， ①3600/sM20A0二cAT= -0.125二0.001。所以噴氣一次自旋進(jìn)動(dòng)，H 2500 ，所以噴氣一次自旋進(jìn)動(dòng)，9n二.二吒二90000（次）故需噴氣， A0°.°01惡 航天器控制原理自測試題二一、名詞解釋（15％）1、慣性坐標(biāo)系2、反作用輪3、姿態(tài)捕獲4、 天文導(dǎo)航5、 空間站的軌道控制二、簡答題（60％）1、人造地球衛(wèi)星按功能分為哪幾類？闡述每一類的特點(diǎn)，并說出至少兩種衛(wèi)星及其相應(yīng)的功能。2、簡述將N體問題簡化為二體問題的假設(shè)條件。3、基于經(jīng)典歐拉轉(zhuǎn)動(dòng)，如何將航天器的空間轉(zhuǎn)動(dòng)角速度在本體坐標(biāo)系中用歐拉角表示。4、常用姿態(tài)敏感器有哪些？姿態(tài)敏感器怎樣分類？5、為什么自旋穩(wěn)定方式在航天器中得到了廣泛應(yīng)用？6、主動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)有哪幾部分組成？與被動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)相比有什么優(yōu)缺點(diǎn)？7、自旋穩(wěn)定衛(wèi)星為什么不能用連續(xù)噴氣方式來改變姿態(tài)?8、導(dǎo)航分為哪幾類，基本原理是什么？9、載人飛船的特點(diǎn)表現(xiàn)在哪幾方面？10、空間站系統(tǒng)有哪幾部分組成？各自的功能是什么？三、推導(dǎo)題15％1、推導(dǎo)二體運(yùn)動(dòng)方程。2、推導(dǎo)Oxyz和OXYZ兩坐標(biāo)系之間按“1-2-3”順序旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和逆變換矩陣，并在小角度假設(shè)下予以線性化。四、計(jì)算題10％1、已知一自旋衛(wèi)星動(dòng)量矩H=2000Kg?m2/s，自旋角速度為3=50r/min，噴氣力矩Mc=20N?m,噴氣角為丫=60。，要求自旋進(jìn)動(dòng)0c=90。。問噴氣一次自旋進(jìn)動(dòng)多少？總共需要多少次和多長時(shí)間才能完成進(jìn)動(dòng)？航天器控制原理自測試題二答案一、名詞解釋15％1、慣性坐標(biāo)系答：慣性坐標(biāo)系是相對(duì)于恒星固定的坐標(biāo)系。但實(shí)際情況表明，慣性坐標(biāo)系僅僅是在所研究的時(shí)間間隔內(nèi)能夠滿足精度要求的基準(zhǔn)坐標(biāo)系。2、反作用輪答：慣性輪中如果飛輪的轉(zhuǎn)速可以正負(fù)改變，且平均動(dòng)量矩為零，則稱為反作用輪。3、姿態(tài)捕獲答：姿態(tài)捕獲是航天器由未知姿態(tài)到已知姿態(tài)的定向過程，是另一類典型的姿態(tài)機(jī)動(dòng)。姿態(tài)捕獲方式可分為三類：全自主、半自主和地面控制。4、天文導(dǎo)航答：天文導(dǎo)航系統(tǒng)是以天空的星體作為導(dǎo)航臺(tái)、星光作為導(dǎo)航信號(hào)的測角定位系統(tǒng)。星體離航天器很遙遠(yuǎn)，這時(shí)很小的測角誤差就會(huì)產(chǎn)生很大的定位誤差。為了精確定位，除了要求高精度測角外，還要有高精度的方向基準(zhǔn)，而且設(shè)備的價(jià)格昂貴，系統(tǒng)的工作受氣象條件限制。但是，由于星體離地面很遠(yuǎn)，系統(tǒng)工作區(qū)域廣，可對(duì)在外層空間活動(dòng)的航天器進(jìn)行導(dǎo)航而且當(dāng)航天器在大氣層之上時(shí)，導(dǎo)航就不再受氣象條件限制。5、空間站的軌道控制答：即對(duì)空間站的軌道保持，軌道機(jī)動(dòng)，及交會(huì)對(duì)接的控制。二、簡答題60％1、人造地球衛(wèi)星按功能分為哪幾類？闡述每一類的特點(diǎn)，并說出至少兩種衛(wèi)星及其相應(yīng)的功能。答：可分為四類：（1） 觀測站——站得高、看得遠(yuǎn)，非常有利于觀察地球。（2）中繼站——它是用來對(duì)信息進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星。（3）基準(zhǔn)站——是軌道上的測量基準(zhǔn)點(diǎn)，要求它的測軌非常準(zhǔn)確。（4）軌道武器——是一種積極進(jìn)攻的航天器，具有空間防御和空間攻擊的能力。地球資源衛(wèi)星：可用于地下礦藏、海洋資源和地下水資源調(diào)查；土地資源調(diào)查，土地利用，區(qū)域規(guī)劃；調(diào)查農(nóng)業(yè)林業(yè)畜牧業(yè)和水利資源合理規(guī)劃管理。通信衛(wèi)星：可用于傳輸電話、電報(bào)、電視、報(bào)紙、圖文傳真、語音廣播、數(shù)據(jù)、視頻會(huì)議等。2、 簡述將N體問題簡化為二體問題的假設(shè)條件。答：（1）物體為球?qū)ΨQ的，這樣就可以把物體看作質(zhì)量集中在其在中心。（2）除了沿兩物體中心連線作用的引力外，沒有其它外力和內(nèi)力作用。3、 基于經(jīng)典歐拉轉(zhuǎn)動(dòng)，如何將航天器的空間轉(zhuǎn)動(dòng)角速度在本體坐標(biāo)系中用歐拉角表示。如圖所示。將角速度“沿O和°耳軸分解，貝0”，°和°在正交坐標(biāo)系°切'中的分量分別為:為Wsin°,0^軸為cos°。再將（°和°耳軸分量按Ox和Oy軸分解，其結(jié)果表示如下：①二屮sin°sin°+°cos°x二屮sin°cos°-0sin°y①=°+屮cos°z或者以逆形式表示，即—@sin°+?cos°)cot°z x y<°cos°-?sin°x y屮二sin°+?cos°)csc°xy式（3．8）或（3．9）即為航天器的一組姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。，4、常用姿態(tài)敏感器有哪些？姿態(tài)敏感器怎樣分類？答：有太陽敏感器，紅外地平儀，星敏感器，陀螺，加速度計(jì)，磁強(qiáng)計(jì)和射頻敏感器。姿態(tài)敏感器按不同的基準(zhǔn)方位，可分為下列5類。(1)以地球?yàn)榛鶞?zhǔn)方位：紅外地平儀，地球反照敏感器；(2)以天體為基準(zhǔn)方位：太陽敏感器，星敏感器；以慣性空間為基準(zhǔn)方位：陀螺，加速度計(jì)；以地面站為基準(zhǔn)方位：射頻敏感器；其他：例如磁強(qiáng)計(jì)(以地磁場為基準(zhǔn)方位)，陸標(biāo)敏感器(以地貌為基準(zhǔn)方位)。5、為什么自旋穩(wěn)定方式在航天器中得到了廣泛應(yīng)用？答：自旋穩(wěn)定的原理是利用航天器繞自旋軸旋轉(zhuǎn)所獲得的陀螺定軸性，使航天器的自旋軸方向在慣性空間定向。它的主要優(yōu)點(diǎn)首先是為航天器獲得規(guī)則的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)提供了一種簡單的手段。自旋衛(wèi)星利用非常簡單的儀器便可提供姿態(tài)信息，而且因?yàn)檫\(yùn)載工具通常是以自旋方式人軌的，所以航天器很容易達(dá)到完全無源的慣性定向，并且有一定的精度。其次，由于自旋運(yùn)動(dòng)具有比較大的動(dòng)量矩，因此航天器抵抗外干擾的能力很強(qiáng)，因?yàn)楫?dāng)自旋航天器受到恒定干擾力矩作用時(shí)，其自旋軸是以速度漂移，而不是以加速度漂移。加之自旋穩(wěn)定能使航天器發(fā)動(dòng)機(jī)的推力偏心影響減至最小，因此自旋穩(wěn)定方式在航天器，特別是在早期發(fā)射的航天器中得到了廣泛的應(yīng)用。6、主動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)有哪幾部分組成？與被動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)相比有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：主動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)由敏感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，敏感器的作用是測量星體的姿態(tài)角°M，申或角速度°川'電，可利用紅外地平儀、太陽敏感器、各種陀螺儀等實(shí)現(xiàn)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是產(chǎn)生影響航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的外力矩或內(nèi)力矩；控制器綜合敏感器的測量信息，產(chǎn)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作所遵循的控制規(guī)律以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與被動(dòng)穩(wěn)定方案比較，主動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)是可以保證更高的精確度和快速性，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，降低了可靠性，且增加了能源消耗，因此適用于高精度要求和大擾動(dòng)力矩的情形。7、自旋穩(wěn)定衛(wèi)星為什么不能用連續(xù)噴氣方式來改變姿態(tài)答：在衛(wèi)星自旋到某相位角的前后AT/2時(shí)間內(nèi)，推力器控制產(chǎn)生的動(dòng)量矩增量劉的數(shù)值等于.foAT)

sm AH二iAT/2Mcosotdt=MAt—AT/2 c c OATAH垂直于初始動(dòng)量矩0。由于噴氣時(shí)衛(wèi)星在自旋，帶動(dòng)控制力矩c在空間中旋轉(zhuǎn)，動(dòng)量矩從初始狀態(tài)0沿圓弧進(jìn)動(dòng)到H1。若噴氣推力器隨著衛(wèi)星自旋一周而采用連續(xù)噴氣，即AT二2K°，則由上式得AH=0。這表明若采用連續(xù)噴氣，則其結(jié)果是自旋動(dòng)量矩不發(fā)生改變，自旋衛(wèi)星的姿態(tài)在理論上是固定不變的。實(shí)際上可能出現(xiàn)擺動(dòng)，這樣不能達(dá)到自旋軸進(jìn)動(dòng)的目的。8、導(dǎo)航分為哪幾類，基本原理是什么？答：航天器導(dǎo)航基本上可分為兩大類：自主和非自主。非自主測軌由地面站設(shè)備，例如雷達(dá)，對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤測軌，并且在地面上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后獲得軌道位置信息。相反，若航天器的位置和速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)用星上測軌儀器（或稱導(dǎo)航儀器）來確定，而該儀器的工作不依賴于位于地球或其他天體的導(dǎo)航和通信設(shè)備，那么軌道確定（空間導(dǎo)航）則是自主的。絕大部分航天器都采用非自主測軌。由于這種方法存在很大局限性，它要依賴地面站，而一個(gè)地面站跟蹤衛(wèi)星的時(shí)間是非常有限的。自主導(dǎo)航存在兩種方式：被動(dòng)或主動(dòng)。被動(dòng)方式意味著與航天器以外的衛(wèi)星或地面站沒有任何合作，例如空間六分儀；而主動(dòng)方式意味著與航天器以外的地面站或衛(wèi)星（例如數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星）有配合，例如全球定位系統(tǒng)。另外還存在一個(gè)問題需要考慮，即航天器自主軌道確定與姿態(tài)確定是相互關(guān)聯(lián)或者互相獨(dú)立的。一般說來由于軌道比姿態(tài)變化緩慢的原因，希望軌道確定和姿態(tài)確定互相分開，特別在精度要求很高的場合。但是有許多敏感器，例如空間六分儀、陸標(biāo)跟蹤器、慣性測量部件、太陽和星敏感器等，既可以作軌道確定系統(tǒng)的敏感器，同樣地也可作姿態(tài)確定系統(tǒng)的敏感器。根據(jù)這些敏感器所得到的信息，設(shè)計(jì)相應(yīng)軟件，經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，就可以得到有關(guān)軌道和姿態(tài)的數(shù)據(jù)。在這種情況下，姿態(tài)和軌道確定是相關(guān)聯(lián)的。9、 載人飛船的特點(diǎn)表現(xiàn)在哪幾方面？答：載人飛船的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在返回地球、乘員的生活及活動(dòng)條件、飛行安全三方面。10、 空間站系統(tǒng)有哪幾部分組成？各自的功能是什么？答：空間站姿態(tài)控制分為姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機(jī)動(dòng)兩部分。姿態(tài)穩(wěn)定又分為兩種情況：第一種情況為對(duì)地球指向穩(wěn)定，主要為與地面通信聯(lián)系和有關(guān)的數(shù)據(jù)傳遞提供穩(wěn)定姿態(tài)。第二種情況，姿態(tài)控制精度由有效載荷或者在空間站進(jìn)行的有關(guān)實(shí)驗(yàn)提出，此種精度要求視有效載荷和實(shí)驗(yàn)研究的不同而不同。三、推導(dǎo)題15％1、推導(dǎo)二體運(yùn)動(dòng)方程。設(shè)質(zhì)量為M和m的物體的位置矢量分別為Tm和r并定義=r-rmM設(shè)質(zhì)量為M和m的物體的位置矢量分別為Tm和r并定義=r-rmM利用牛頓定律，可得GMmrGMmr由此可得再由引力參數(shù)可得r..GMrr3mMr..=GmrG(m+m)rr+巴r=or3此式即為二體運(yùn)動(dòng)方程。2、推導(dǎo)Oxyz和OXYZ兩坐標(biāo)系之間按“1-2-3”順序旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和逆變換矩陣，并在小角度假設(shè)下予以線性化。解：⑴OXoyoZoT繞Oxo(“l(fā)”)轉(zhuǎn)9角。郵丫’⑵OaEY，—繞'(“2”)轉(zhuǎn)°角t。鄧丫于是坐標(biāo)系Oxyz和OxoyoZo之間的坐標(biāo)變換關(guān)系即為式中(3.10)(3.11)式中(3.10)(3.11)cos0coscos0cos屮

-cos0sin屮

sin9sin申sin9cos屮+cos申sin屮

-sin申sin9sin屮+cos申cos屮

-sin申cos9-cos申cos屮sin9+sin申sin屮

cos申sin9sin屮+sin申cos屮

cos申cos9os9cos屮Bos9cos屮BT=sin申sin9cos屮+cos申sin屮-cos申cos屮sin9+sin申sin屮-cos9sin屮 sin9-sin申sin9sin屮+cos申cos屮一sin申cos9

cos申sin9sin屮+sin申cos屮 cos申cos9同樣可得按照2-3-1,3-1-2,1-3-2,2-1-3,3-2-1等不同轉(zhuǎn)動(dòng)順序的變換關(guān)系。當(dāng)時(shí)，即在小角度變化情況下，B可近似為-1-1屮-9B=-屮19-申1(3．13)其中歐拉角9“S分別稱為俯仰角、偏航角和滾動(dòng)角，而Oz，oy，Oz軸分別稱為航天器的滾動(dòng)。四、計(jì)算題10％1、已知一自旋衛(wèi)星動(dòng)量矩H=2000Kg?m2/s，自旋角速度為w=50r/min，噴氣力矩Mc=20N?m，噴氣角為丫=60。，要求自旋進(jìn)動(dòng)0c=90。。問噴氣一次自旋進(jìn)動(dòng)多少？總共需要多少次和多長時(shí)間才能完成進(jìn)動(dòng)？

AT=丫= 60 =0.2s解：每轉(zhuǎn)一圈的噴氣時(shí)間為， ①300°/s0.002°，A9二MAT= 0.002°，所以噴氣一次自旋進(jìn)動(dòng)，H2000n=^c=遼二45000（次）故需噴氣， A0°.°02總時(shí)間為，t-nT-45000-0.2s=9000s。航天器控制原理自測試題三組成及各部分作用。航天器控制原理自測試題三組成及各部分作用。義的？理及其守恒條件。敏感器的工作原理，并繪出原理結(jié)構(gòu)圖。慣量比有什么要求？定控制系統(tǒng)的原理框圖。簡述噴氣推力姿態(tài)穩(wěn)定的基本原理。態(tài)機(jī)動(dòng)的原理是什么？噴氣角的選擇為什么不能過小？，各有什么功用。主要構(gòu)造。組成是什么？哪些可以重復(fù)使用，那些不可以？的作用下，航天起的機(jī)械能守恒。。力量矩H=3500Kg?m2/s，自旋角速度為W=60r/min，噴氣力矩Mc=40N?m,噴氣角為丫=40。，要求自旋進(jìn)動(dòng)0c=80。。問噴氣一動(dòng)？航天器控制原理自測試題三答案一、名詞解釋15％1、本體坐標(biāo)系答：又稱為星體坐標(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Aoaaf，那么自旋軸必須在同一平面內(nèi)從初始方向OA0機(jī)動(dòng)到目標(biāo)方向OAF，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。通過陀螺和加速度計(jì)測量航天器相對(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）有效載荷一一用于直接完成特定的航天飛行任務(wù)的部件三儀器或分系統(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，所以有定義卩三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rmo(F)=0,則m°^(mvV=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)太陽光線以垂直入射時(shí)，4塊光敏元件輸出相等；當(dāng)太陽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)通過處理電路加以處理后，就可得到太陽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'y一z之比為慣量比卩yztyzt則自旋衛(wèi)星的穩(wěn)定準(zhǔn)則就可以總結(jié)如下：若卩＞1，衛(wèi)星是短粗的，短粗衛(wèi)星自旋運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。

若PV1,衛(wèi)星是細(xì)長的，細(xì)長衛(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)至少卩〉1.056、畫出噴氣三軸姿態(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)。廠關(guān)控制抬令干擾力矩ili|一|答：圖為噴氣三軸姿態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。廠關(guān)控制抬令干擾力矩ili|一|推力器斥曾姿態(tài)動(dòng)齊辜負(fù)矩控制器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)姿態(tài) 速度敏感器h7、推力器的工作時(shí)間為什么不能過?。看穑和屏ζ鞴ぷ鲿r(shí)間過短，會(huì)帶來以下三方面的困難：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)；噴氣脈沖越窄，重復(fù)性越差；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。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)，再依次向用戶發(fā)射。它接收來自地面站的控制指令并向地面站發(fā)射衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)。(2)地面站組：包括主控站、監(jiān)測站、注入站等多種地面站和計(jì)算中心。地面站組收集來自衛(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。用戶設(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，用戶設(shè)備屬于星載設(shè)備°GPS系統(tǒng)采用無源工作方式，這給航天器定位帶來很大方便。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，飛船本身的慣性測量儀器測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)行天體觀測所得的位置與速度數(shù)據(jù)也通過鍵盤輸人飛船計(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。rrr證明：由二體運(yùn)動(dòng)方程+ =0r. vr.用與上式作叉乘，且=r. vr.用與上式作叉乘，且=Hr. r.. r.r3rv. r3r r.+.=0因?yàn)橛蛇\(yùn)算法則aa=aa，所以.r3.vv+rr=0

dt2 .并且注意到dt2 .并且