航天概論課件第四章(編輯修改稿)
2025-06-19 02:47 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 的首要問題。對于運載火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)，首先要保證控制回路的穩(wěn)定性，否則出現(xiàn)振蕩或發(fā)散，必將導(dǎo)致飛行的失敗。 控制回路各環(huán)節(jié)的 靜態(tài)增益 和 動態(tài)特性 是影響回路穩(wěn)定性的主要因素。設(shè)計時通過對靜態(tài)增益和校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不同組合的比較，從中 選擇最佳的組合，以保證系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性 。 影響姿控回路穩(wěn)定性的還有一個重要環(huán)節(jié)是 箭體的動態(tài)特性 ，包括箭體結(jié)構(gòu)的 橫向彎曲振動 和 扭轉(zhuǎn)振動 ，以及 液體推進劑的晃動 。 （ 3）控制力和控制力矩 如何產(chǎn)生控制力和控制力矩，是實現(xiàn)姿態(tài)控制的最終環(huán)節(jié)。 產(chǎn)生控制力和控制力矩有多種方法，運載火箭一般通過自身的動力產(chǎn)生控制力，如 燃氣舵、搖擺發(fā)動機、柔性噴管和姿控噴管 等。 燃氣舵 用石墨或耐高溫合金制成的 燃氣舵 安裝在發(fā)動機噴管的尾部， 當發(fā)動機燃燒室噴射出來的高速 氣流作用在燃氣舵上產(chǎn)生控制力 矩。 搖擺發(fā)動機和柔性噴管 改變推力的方向產(chǎn)生側(cè)向分 力形成控制力矩，因此又稱為 “ 推力矢量控制 ” 。 “”字方式布置 4臺搖擺 發(fā)動機， 4臺發(fā)動機繞 Y軸擺動 將產(chǎn)生偏航力矩，繞 Z軸擺動 將產(chǎn)生俯仰力矩，沿圓周方向 同時順時針或逆時針擺動將產(chǎn) 生滾動控制力矩。 柔性噴管 的作用原理基本相同，所不同的是用在 單發(fā)動機的火箭上， 擺動的只是噴管而不是整個發(fā)動 機推力室 。 姿控噴管 利用噴出氣體產(chǎn)生控制力，但不是利用主發(fā)動機的動力，而是 獨立的利用噴氣產(chǎn)生控制力的系統(tǒng) ，噴出的氣體可以是燃燒產(chǎn)生的氣體，也可以是利用高壓容器貯存的氣體，多用于末級控制。 一組 16個噴管組成的姿控 方案， 1～ 4噴管控制俯仰， 5～ 8噴管控制偏航， 9～ 16噴管控 制滾動。 航天器的控制系統(tǒng) 任務(wù)： 進入太空后，為了完成預(yù)定的任務(wù)，必須 按預(yù)先制定的程序沿一定的軌道飛行 。 在目標軌道上運行時，要求保持軌道的準確和穩(wěn)定。 在飛行的不同階段，必須根據(jù)任務(wù)的 要求使航天器采取不同的姿態(tài) 。 要 達到并保持相應(yīng)的軌道和姿態(tài) ，就需要進行 軌道和姿態(tài)控制 。 在軌道上運行時會遇到相差懸殊的高溫和低溫環(huán)境。 最高溫度在 100℃ 以上。最低溫度可到 200℃以下。為保證正常工作， 溫度控制 也是一項重要技術(shù)。 航天器的軌道和姿態(tài)運動 飛行器的運動包括 質(zhì)心的運動 和 繞質(zhì)心的角運動兩部分。航天器質(zhì)心運動的軌跡稱為 軌道 ，因此其質(zhì)心的運動稱為 軌道運動 ，而繞質(zhì)心的 角運動 則稱為 姿態(tài)運動 。 （ 1） 軌道和軌道運動 衛(wèi)星的軌道可用 6個軌道參數(shù) 來描述，也可以與運載火箭一樣用質(zhì)心在 慣性坐標系中的位置和速度 來描述，二者可以通過坐標變換換算。 影響 軌道運動的外力有變軌發(fā)動機的推力和環(huán)境力。發(fā)動機工作時稱為 主動飛行段 ，發(fā)動機不工作時稱為 自由飛行段 。 環(huán)境力是指周圍環(huán)境通過介質(zhì)接觸或場的相互作用而產(chǎn)生的力，包括 天體的引力、輻射壓力、磁場的作用力和空氣動力 等。 在航天器運行中，需要對航天器的軌道運動進行調(diào)整、控制和操縱。 ○ 由于不可避免的誤差，難以一次達到預(yù)定的準確軌道； ○ 受到環(huán)境力的攝動； ○ 需要從一個軌道轉(zhuǎn)移到另一個軌道。 （ 2） 姿態(tài)和姿態(tài)運動 姿態(tài) —— 航天器相對于空間某參考坐標的方位或指向?？捎美@航天器本體坐標軸 x， y，z的轉(zhuǎn)角來描述，依次為 滾動角、俯仰角和偏航角 。 影響航天器姿態(tài)變化的因素主要是 內(nèi)外力矩 的作用。 外力矩 —— 有 氣動力矩、太陽輻射壓力矩、重力梯度力矩 和 磁力矩 等。 內(nèi)力矩 —— 有 噴氣推力 或 慣性飛輪 產(chǎn)生的 姿態(tài)控制力矩 ， 推力偏心、活動部件運動、向外的熱輻射和電磁輻射 ，以及 漏氣、漏液、升華 等造成的干擾力矩。 姿態(tài)和軌道控制的原理 姿軌控制的類型： 按控制力的來源可分為 被動控制 和 主動控制 兩大基本類型 。 二者的相互組合 ， 又派生出 半被動 、 半主動 等類型 。 (1) 被動式控制 利用航天器本身的動力學特性或者與周圍環(huán)境相互作用產(chǎn)生的力矩作為控制力矩 ，它 不消耗航天器上的能源，也不需要敏感元件和控制邏輯線路 ，主要用于人造地球衛(wèi)星的姿態(tài)控制。 a） 自旋穩(wěn)定 利
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