航天器相对运动动力学教学研究与实践

航天器相对运动动力学是空间维护原理课程的核心,主要内容是目标轨道坐标系中两个航天器的相对运动规律,太空中的相对运动规律与地面的相对运动规律在直觉上是相悖的,对学员的理解能力提出了较高挑战,课程组提出了演示法、交互法和实验法有机结合的体系化教学方法,通过将隐含的运动关系、相对运动方程经过变换转化为显式的运动方程,将静态的...     

基于气浮台的交会对接模拟及姿态跟踪控制

针对交会对接中卫星的姿态跟踪控制问题,设计了一种鲁棒有限时间控制算法。首先,设计并采用两个六自由度气浮台模拟交会对接的两颗卫星,搭建交会对接地面物理仿真系统。其次,应用姿态误差函数,推导描述气浮台追踪器相对于气浮台目标器姿态运动的姿态误差动力学模型。最后,基于此模型采用反步法思想给出了该控制算法的详细设计。李雅普诺夫理论推导和仿真结果表明,在存在边界未知的有界外界扰动的情况下,该控制算法可以使气浮台追踪器在20 s内实现对姿态随时间改变的气浮台目标器的准确跟踪,并保证系统的稳定性。     

地球静止轨道远程交会过程导航性能评估

远程交会是静止轨道共位卫星自主定点置入的关键途径。针对远程交会过程中大距离跨度下相对运动模型的误差信号特性,理论推导了误差的传递机理,给出了相对导航EKF算法期望及噪声特性的定量分析模型。研究表明,确定距离区间存在最优过程噪声量级及其对应的最优滤波性能,且滤波误差与交会距离正相关,可作为全局最优滤波器的定量设计依据,解决了静止轨道远程交会过程EKF导航算法性能的量化评估问题。仿真表明,分析结论正确,相对速度滤波误差全程优于0.005 m/s(1σ),满足交会任务需求。     

工科理论力学教学体系的改革

本是作1987年以来工科理论力学教学体系改革的简要总结。静力学完全采用以动力学为基础的理论体系,分“力系作用量、等效、简化”、“受力分析”、“平衡力系作用下物体的受力”三章,各部分系统清晰,内容完整,避免重复。运动学强调解析法;刚体平面运动置于点的复合运动之前;用点在不同参考系中的运动讲点的复合运动,三个定理合为一个定理,讲透动点动系的选择。动力学强调动力学基本定理,相对运动动量矩定理根本上取代动静法,加强动能法求加速度。加强综合习题课。     

柱面坐标系下航天器仅测角相对导航算法

针对采用星载无源光学相机实现对空间非合作目标的相对导航时轨道状态不可观测/弱可观测的问题,研究了基于柱面坐标系相对运动动力学模型的仅测角相对导航算法。首先,在柱面坐标系下建立了三维的相对轨道运动动力学模型和视线角测量模型;然后,基于该模型进行了仅测角相对导航的状态可观测性分析,定性地获得了相对轨道状态可观测性更佳的几何条件;接着,为了解决强非线性模型的估计问题,建立了基于平方根容积卡尔曼滤波的仅测角相对导航估计算法及长航时导航滤波方案;最后,对所提算法进行了数值仿真实验验证。仿真结果表明柱面系下动力学模型的轨道曲率捕获能力强,能够为仅测角相对导航提供足够可观测性,相对轨道估计误差可收敛至公里级,能够满足中远程空间态势感知、交会的精度要求。     

变质量系统动力学教学中的几个问题

在变质量系统动力学的教学中应引入控制界面的概念，它实际上是描述运动及处理动力学问题的另一种方式，在描述流体的运动中十分有用．本文还对变质量系统动力学教学中的几个疑点作出了解释     

基于李群局部标架的多柔体系统动力学建模与计算

多柔体系统动力学主要研究由多个具有运动学约束、存在大范围相对运动的柔性部件构成的动力学系统的建模、计算和控制.多柔体系统不仅具有柔体大变形导致的几何非线性,更具有大范围刚体运动引起的几何非线性,其非线性程度远高于计算结构力学所研究的几何非线性问题.本文基于李群局部标架(local frame of Lie group,...     

运动稳定性与卫星姿态动力学

运动稳定性已经有了很大的发展,特别是对于当前比较有意义的两个新技术领域——大系统的稳定性和卫星姿态动力学,运动稳定性也是它们发展的重要基础之一。本文主要分三个部分:首先讲运动稳定性的基本理论及其某些发展,也介绍一下“内积法”;其次讲大系统的稳定性;最后讲卫星姿态动力学中的两个主要问题。      

基于视线运动模型的椭圆轨道交会最优控制

针对航天器自主交会对接实际存在的接近方位角约束, 在视线坐标系内讨论了椭圆轨道最优交会控制设计问题. 根据椭圆轨道视线动力学模型具有时变非线性的特点, 分别采用状态相关Riccati方程(state-dependent riccati equation, SDRE)方法和\theta-D方法进行了最优交会控制器设计. 考虑到实际施加的控制力沿原轨道坐标系各轴向更易于实现, 结合SDRE方法中系统输入矩阵可与系统状态量相关, 进而设计了控制力沿轨道坐标系轴向的最优交会控制器. 数值仿真表明: 两种方法均实现了带有方位角约束的交会; \theta-D控制算法计算效率更高, 而SDRE控制算法精度较高, 且可以实现控制力沿轨道坐标系各轴定向施加.      

基于李群局部标架的多柔体系统动力学建模与计算

多柔体系统动力学主要研究由多个具有运动学约束、存在大范围相对运动的柔性部件构成的动力学系统的建模、计算和控制.多柔体系统不仅具有柔体大变形导致的几何非线性,更具有大范围刚体运动引起的几何非线性,其非线性程度远高于计算结构力学所研究的几何非线性问题.本文基于李群局部标架(local frame of Lie group, LFLG),讨论如何发展一套新的多柔体系统动力学建模和计算方法体系,具体内容包括:基于局部标架的梁、板壳单元,适用于长时间历程计算的多柔体系统碰撞动力学积分算法,结合区域分解技术的大规模多柔体系统动力学并行求解器,以及若干验证性算例.上述基于李群局部标架的方法体系可在计算中消除刚体运动带来的几何非线性问题,使柔体系统的广义惯性力、广义弹性力及其雅可比矩阵满足刚体运动的不变性,使多柔体系统动力学与大变形结构力学相互统一,有望推动新一代多柔体系统动力学建模和计算软件的发展.     

受控多体复摆的定性分析

本文讨论多体复摆的运动规律,作为具有单个支点的人体运动模型。系统中各邻接刚体之间作受控的相对运动。利用通路矢量和增广体概念导出系统的动力学普遍方程。对于平面运动的特殊情形,可在相平面内进行定性分析。以人体的站立稳定性和自激摆动为例。     

关于动点动系的选择原则

如何正确地选择动系、动点的问题,一般地说应遵循如下的三条原则。(1) 动点在动系中一定要有相对运动。(2) 动点的相对运动轨迹要易于确定。所以要求动点在运动过程中始终是两个运动部件的接触点。(3) 动系的牵连运动要易于分析确定。如平动、定轴转动、平面运动等等。动点动系选择得正确与否是求解平面运动问题的...     

非线性流体-刚体结构相互作用问题的一种数值模拟方法

给出了一种模拟非线性流体-刚体结构相互作用问题的数值方法．文中假定结构承受大的刚体运动,流体流动受非线性有粘或无粘的场方程支配并满足自由表面和两相耦合界面上的非线性边界条件,利用任意拉氏-欧氏（ALE）网格系统构造了数值模型．采用所探讨的多块数值格式,允许可动重造网格间有独立的相对运动,从而克服了流体网格与固体大运动匹配的困难．通过数值离散化,导出了描述非线性流固耦合动力学的数值方程并应用耦合迭代过程对其作了求解．通过算例,说明了所提出数值模型的应用．     

DERIVATION OF LIFT,DRAG AND THE KUTTA--JOUKOWSKI THEOREM FOR AIRCRAFTS 1)

本文介绍了空气动力学中几个基本概念与定律的起源。其中,升力与阻力分别是空气对物体作用力的两个方向上的分量,它们均是由空气与物体的相对运动而产生的,并与该运动速度的平方成正比。库塔儒可夫斯基升力环量定理给出了翼型升力与翼型绕流之间的关系,开启了20世纪早期各国对翼型性能的研究。同时,鉴于理想流体圆柱绕流无阻力的理论结果与实验观察存在的矛盾开始激发人们对黏性流体运动的研究兴趣,并由此诞生了纳维斯托克斯方程组。而后普朗特提出边界层概念,巧妙解决了局部流动与整体流动的关系问题。针对大展弦比直机翼,普朗特又提出了基于升力线假设的升力线模型,并根据翼型气动数据得到三维机翼的气动性能。     

受控多体复摆的定性分析

本文讨论多体复摆的运动规律,作为具有单个支点的人体运动模型。系统中各邻接刚体之间作受控的相对运动。利用通路矢量和增广体概念导出系统的动力学普遍方程。对于平面运动的特殊情形,可在相平面内进行定性分析。以人体的站立稳定性和自激摆动为例。     

飞行器的升力、阻力及升力与环量定理的起源

本文介绍了空气动力学中几个基本概念与定律的起源。其中,升力与阻力分别是空气对物体作用力的两个方向上的分量,它们均是由空气与物体的相对运动而产生的,并与该运动速度的平方成正比。库塔儒可夫斯基升力环量定理给出了翼型升力与翼型绕流之间的关系,开启了20世纪早期各国对翼型性能的研究。同时,鉴于理想流体圆柱绕流无阻力的理论结果与实验观察存在的矛盾开始激发人们对黏性流体运动的研究兴趣,并由此诞生了纳维斯托克斯方程组。而后普朗特提出边界层概念,巧妙解决了局部流动与整体流动的关系问题。针对大展弦比直机翼,普朗特又提出了基于升力线假设的升力线模型,并根据翼型气动数据得到三维机翼的气动性能。     

相对运动中一类质点运动方程的同伦摄动解

相对运动中质点的运动方程大多数是非线性的,其精确显式求解是一个难点。本文基于同伦摄动分析方法,研究了相对运动中一类质点运动非线性微分方程的近似显式解。先构造了系统的同伦方程,再结合Lindstedt–Poincare方法和系统的初始条件,推导了系统自由振动的固有频率,求解了系统的位移近似响应,并通过数值仿真验证了理论分析解的正确性,为相对运动的质点运动方程求解提供了一种新的求解方法。     

体育运动中的空气动力学

许多运动项目成绩的提高和体育器材的改进,都与空气动力学有着很密切的关系. 本文通过 排球发飘球和标枪投掷运动两个典型例子,概要介绍了空气动力学的作用. 通过风洞试验、 理论计算和现场实测结果,为改进器材性能,提高运动成绩,提供了理论依据.     

三体轨道动力学研究进展

三体系统轨道动力学问题是航天动力学领域中的经典问题, 具有丰富的理论与工程意义, 并将在人类由近地延伸到深空的航天活动过程中起到至关重要的作用. 本文回顾并总结了三体系统轨道动力学相关研究进展, 并结合未来的深空探测的发展趋势, 展望了三体系统轨道动力学研究中的热点与挑战. 首先阐述了三体问题的研究背景及意义, 简要回顾了三体系统动力学模型的发展历程. 其次, 系统概述了三体系统平衡点附近的局部运动特性, 介绍了平衡点附近周期轨道解析与数值求解方法, 给出了拟周期运动的最新进展. 同时总结了共振轨道、循环轨道、自由返回轨道等三类三体系统全局周期运动的动力学特性与研究进展. 再次, 从不变流形理论和弱稳定边界理论两个方面综述了三体系统中低能量转移与捕获轨道设计的研究进展. 最后, 综述了三体系统轨道动力学在编队飞行、导航星座设计两方面的应用, 并展望了全月面覆盖轨道设计、三体系统下的小推力轨道优化和三体系统的三角平衡点开发利用中值得关注的轨道动力学与控制问题.      

同向回转双机驱动振动系统的频率俘获

提出了改进小参数平均法,将两个转子的同步问题转化为相位差及平均转速扰动参量微分方程的零解存在与稳定性问题,得出了同步实现与稳定性条件,提出了频率俘获力矩的概念,解释了两个转子自同步的奇特现象.自同步产生于系统的运动选择动力学特征,即两偏心转子激励起机体的圆运动和绕质心的摆动运动,圆运动对频率俘获力矩贡献驱动相位差向π趋近,实现摆动运动;摆动运动对频率俘获力矩贡献驱动相位差向O趋近,实现圆运动.频率俘获力矩与两电动机的输出力矩之差的比值称为同步指数,实现同步条件为同步指数的绝对值大于1.当同步指数绝对值远大于1,摆动运动占优势时,系统实现圆运动;而圆运动占优势时,实现摆动运动.