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航天動力學
研究軌道、姿態(tài)運動的學科
航天動力學是研究航天器和運載器在飛行中所受的力及其在力作用下的運動的科學，又稱星際航行動力學。航天動力學研究的運動包括航天器的質(zhì)心運動，稱軌道運動；航天器相對于自身質(zhì)心的運動和各部分的相對運動，稱姿態(tài)運動；以及與航天器發(fā)射、航天器軌道機動飛行有關的火箭運動。
基本信息
| 中文名 | 航天動力學 |
| 外文名 | astrodynamics |
| 別名 | 星際航行動力學 天文動力學 |
| 方法來源 | 天體力學 |
| 學科基礎 | 數(shù)學、力學、控制理論 |
| 發(fā)展年代 | 1950年 |
| 研究內(nèi)容 | 軌道運動、姿態(tài)運動和火箭運動 |
| 學科代碼 | 59010 |
收起
力學介紹
力學起源
古典天體力學研究自然界天體的軌道運動和繞質(zhì)心運動。太空飛行器軌道運動理論是在這些理論基礎上發(fā)展起來的。由于控制自然天體的基本力量是萬有引力，而人造飛行器自載的動力，因不同于自然的慣性力的作用，故衍生出太空動力學之學門，為軌道力學之重要課題。
從20世紀1950年代起，人造地球衛(wèi)星、月球探測器、太空探測器相繼發(fā)射成功。蘇聯(lián)的К·Э·齊奧爾科夫斯基、美國的R·H·戈達德等相繼開展了變質(zhì)量系統(tǒng)的運動理論研究。
軌道測定
運動
建立火箭運動和火箭設計中有關參數(shù)的關系。
力學綜述
發(fā)射、航天器軌道機動飛行有關的火箭運動。航天器的飛行過程一般分為三個階段。②運行軌道段：航天器主要在萬有引力等自然界外力作用下運動。為了保持預定的軌道，有時需要少量的推力；有時為了軌道機動則需要較大的推力。③降落軌道段：一些航天器需要返回地球表面或者降落在目標天體的表面。這時航天器在火箭推力和介質(zhì)阻力等作用下，離開運行軌道降落到天體表面。在以上各個階段中，航天器的運動都包含了軌道運動和姿態(tài)運動兩個部分。在運行軌道段，一般可以將兩種運動分別求解。而在發(fā)射段和降落段，兩種運動關系密切，需要聯(lián)立求解。研究航天器的運動是以牛頓力學和火箭力學為基礎的，一般不考慮相對論效應。航天動力學以數(shù)學、力學、控制理論為基礎。它的研究內(nèi)容分為軌道運動、姿態(tài)運動和火箭運動三個部分。
航天動力學
航天動力學
在軌道上運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，無論他們的原始重量如何，其實都像氣球一樣在太空軌道上漂浮著運轉(zhuǎn)。正因為是一種失重狀態(tài)，所以在運轉(zhuǎn)過程中，常常出現(xiàn)非自轉(zhuǎn)運動以外的意想不到的翻滾。例如1958年美國第一顆衛(wèi)星“探險者1號”，由于其四根鞭狀天線的振動耗散了很多能量，在正常工作了一段時間以后，出現(xiàn)了意想不到的衛(wèi)星翻滾現(xiàn)象，導致任務失敗。1973年4月3日蘇聯(lián)發(fā)射禮炮2號空間站?？臻g站入軌不久，姿態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)生空間站翻滾，最后爆炸成25塊碎片。1998年5月19日，位于北美西經(jīng)99度赤道上空的銀河－4通信衛(wèi)星突然發(fā)生嚴重故障，星上姿控系統(tǒng)控制處理器失效，導致衛(wèi)星翻滾，衛(wèi)星停止工作。對于“美國‘探險者’1號衛(wèi)星在飛行中出現(xiàn)的事先沒有預計到的翻滾運動，后來的分析結果表明，問題出在衛(wèi)星內(nèi)活動部件的運動上。只要放棄理想剛體的假設，代之以準剛體，即內(nèi)部有能量耗散的近似剛體模型，就能解釋所觀察到的現(xiàn)象?！钡厍蜃鳛樵诶@日軌道上運轉(zhuǎn)的行星，它類似于沒有姿態(tài)控制器的軌道衛(wèi)星，它的自轉(zhuǎn)軸是否會出現(xiàn)意想不到的突發(fā)性翻滾現(xiàn)象呢？學者和讀者們都可以自己掩卷思考一下。筆者只是在極力收集地球翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象留存下來的，各種可以作為證據(jù)的現(xiàn)象和資料，并不是一定利用公式來推演自然界實際存在的變化現(xiàn)象。
航天動力學
對于軌道衛(wèi)星自轉(zhuǎn)軸的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，航天動力學專家們是這樣說的。剛體動力學證明：“當剛體繞最大主慣量軸或最小主慣量軸自旋時，都具有陀螺定軸性。但是，實際的衛(wèi)星不是剛體。衛(wèi)星包含彈性部件，并裝有姿態(tài)控制和軌道控制所需要的液體燃料。這會引起衛(wèi)星中彈性部件振動和液體燃料在燃料箱內(nèi)晃動，這些運動都要消耗衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動動能，衛(wèi)星的運動終將趨于最小動能狀態(tài)。在角動量守衡的情況下，最小動能狀態(tài)就是衛(wèi)星繞最大主慣量軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。也就是說，當衛(wèi)星繞最小主慣量軸自旋，且有內(nèi)部機械能耗散時，標稱自旋軸將在空間翻轉(zhuǎn)?！毕竦厍蜻@種有氣圈、水圈和液態(tài)外核的天然衛(wèi)星，由于地球內(nèi)核的異常運動、兩極冰蓋的不均勻擴大和縮小、海水頻繁的潮起潮落、地球自己的不均勻地膨脹和收縮、人們從地下深處大量采挖礦產(chǎn)品和不均衡的運輸集中、地外物體的撞擊等等地內(nèi)、地外的因素影響，必然有內(nèi)部機械能的耗散。其動能狀態(tài)會發(fā)生變化，轉(zhuǎn)動慣量也同樣會表現(xiàn)在最大主慣量軸、中間主慣量軸、最小主慣量軸三個軸的積累性變化上。從而在到達某一個關鍵時刻，發(fā)生標稱自轉(zhuǎn)軸的空間翻轉(zhuǎn)，就會成為不可避免的運動現(xiàn)象了。
借用航天動力學的理論，地球一方面要保持最小動能狀態(tài)，也就是它繞最大主慣量軸旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，可是自轉(zhuǎn)等運動又在逐漸破壞著它希望保持的最小動能狀態(tài)。這一對矛盾的更迭和轉(zhuǎn)化，造就了地球自轉(zhuǎn)軸必然在空間發(fā)生調(diào)適性翻轉(zhuǎn)運動。這種翻轉(zhuǎn)運動在理論上應該是90度，實際上還會有一個較小數(shù)量級別的加減。這種翻轉(zhuǎn)運動發(fā)生的周期是或長或短的、但是又確實是經(jīng)常發(fā)生的運動現(xiàn)象。應該說地球自轉(zhuǎn)軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)，是天然衛(wèi)星在自然運動狀態(tài)中的一種正常的調(diào)適變動，也是在認識自然的過程中，被科學界忽視的一個“漏洞”。當然，地球能否確實發(fā)生自轉(zhuǎn)軸的突發(fā)性快速翻轉(zhuǎn)？每一次翻轉(zhuǎn)多少角度？翻轉(zhuǎn)速度是多少？應該由航天動力學專家來詳細論證。本文只是從現(xiàn)象出發(fā)，對地球翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象提出一種新的思考。而這種思考不是漫無目標的胡思亂想，是有數(shù)學、物理學、力學基礎，有堅實的地質(zhì)學資料積累，也有從全新角度解析的、歷史古籍記載的多種綜合證據(jù)的。
起源發(fā)展
航天動力學
軌道運動
航天器的質(zhì)心運動研究，以牛頓力學為基礎從航天器受到的作用力著手確定航天器的運動。它可歸納為航天器軌道理論及其應用研究兩個方面。
軌道理論
它以天體力學中的軌道攝動理論（見航天器軌道攝動）為基礎，用于在已知航天器所受的力的情況下確定航天器軌道運動的問題。軌道理論是軌道設計、軌道測定的基礎。軌道攝動理論中將航天器實際運動的軌道分成兩個部分。其中一部分是已經(jīng)完全解出的簡化理論軌道。它與精確理論軌道十分接近。簡化理論軌道一般取符合二體問題運動規(guī)律的開普勒軌道。另一部分是精確理論軌道與簡化理論軌道的差，稱為軌道攝動。軌道攝動是一個小量，只要解算出軌道攝動，就能精確求出航天器的軌道運動。與天體力學中的情況相似，求解軌道攝動的方法也有兩類：一類是數(shù)值計算法，天體力學稱為特別攝動法；另一類是分析方法，解出近似解析解，天體力學稱為普遍攝動法。研究軌道攝動的另一個目的是通過與實測軌道的對比，研究分析軌道攝動的起因，為天體引力場、天體形狀、天體周圍氣體層等研究提供信息。除了軌道攝動法外，直接用航天器的運動方程進行數(shù)值積分，也可得到精確的數(shù)值結果。降落軌道段軌道研究的重點是航天器在大氣層內(nèi)的高速運動。在制動推力和空氣動力作用下，航天器的初始方位、速度方向、重量、外形和姿態(tài)運動規(guī)律決定了它的降落方式。它可能以彈道、滑翔或跳躍等方式降落在天體表面。
應用研究
航天器與自然天體的一個區(qū)別是軌道可以人為地選擇，在運動過程中又可以施加控制力以改變原來的軌道。按照航天器擔負的使命選擇最有利的運行軌道是軌道設計的主要工作。火箭運載能力和控制精度的提高，擴大了軌道選擇的范圍。由于人們掌握了軌道運動規(guī)律，業(yè)已設計出實用的地球靜止衛(wèi)星軌道、回歸軌道、太陽同步軌道、極軌道、暈軌道等。在這些軌道上運行的有通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等。在月球探測和行星探測活動中，多以接近目標天體為目的。實現(xiàn)這個目的的軌道數(shù)量很多，軌道設計的任務是從中選擇出一條最佳軌道。這條軌道應能達到最小動力消耗或最短飛行時間、最簡單控制方法、最便于地面觀察等要求。選出的軌道在實現(xiàn)過程中總會出現(xiàn)誤差，軌道設計的另一任務是設法將誤差控制在不影響完成飛行使命的范圍內(nèi)。對于有機動能力的航天器，軌道設計還與航天器的動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)有關。因此，軌道設計是軌道理論在工程上的應用。
軌道確定是利用觀測數(shù)據(jù)確定航天器軌道的過程。工作內(nèi)容包括初軌確定和軌道改進。確定出的軌道為軌道控制、軌道修正、目標定位、觀測預報和其他學科的研究提供基本參數(shù)。軌道確定的方法來源于天體力學。早期天體力學中，軌道確定的對象是自然天體，已形成了完整的確定方法。這些方法原則上都適用于航天器的軌道確定。但是，與自然天體相比，航天器運動角速度大，與地球站保持有無線電聯(lián)系，測量手段多，數(shù)據(jù)種類全、數(shù)量大。另外航天器的軌道確定要求精度高，實時性往往很強，因而逐步形成了一些有特點的方法。軌道確定的基本理論包括軌道攝動理論、軌道誤差估算理論和高維數(shù)線性方程組的計算方法等。
姿態(tài)運動
在研究航天器姿態(tài)運動時，航天器便不再被看成是質(zhì)點。航天器姿態(tài)運動可以分為整體繞質(zhì)心的運動和航天器部件之間的相對運動。
姿態(tài)運動理論是姿態(tài)控制方式設計的基礎。它的任務是求出任意時刻的航天器的姿態(tài)狀況。具體任務是：確定力學模型，分析作用力矩，建立和求解運動方程。航天器的力學模型與航天器部件的結構形式有關。這些部件可以是剛體、準剛體、多剛體、彈性體，甚至是剛體、彈性體和液體的混合體等。它們受到的力矩有自然界的外力矩、航天器的內(nèi)力矩和控制力矩。描述姿態(tài)運動的方程是常微分方程和偏微分方程（見航天器姿態(tài)動力學）。
力學應用
根據(jù)航天器的使命，要求航天器在運行過程中保持一定的姿態(tài)，這就需要選擇某種姿態(tài)控制方式。這種方式首先要滿足航天器使命的要求，在這一前提下盡量使控制系統(tǒng)最簡單和最經(jīng)濟。一般的姿態(tài)控制方式有自旋穩(wěn)定、雙自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定、三軸控制等。通過適時地施加控制力矩來克服外界干擾力矩，就可以保持航天器姿態(tài)長期穩(wěn)定。在航天器的軌道機動飛行中常常需要調(diào)整航天器的姿態(tài)，以保證機動飛行所需的推力方向。
火箭運動
火箭運動的研究是以變質(zhì)量力學和經(jīng)典力學為基礎的，其任務是求出任意時刻火箭的運動狀態(tài)和分析火箭姿態(tài)運動的穩(wěn)定性?；鸺馁|(zhì)心運動也稱為火箭軌道運動。這個方面的研究內(nèi)容包括：①建立火箭運動方程并加以求解。火箭運動方程包括質(zhì)心運動方程和繞質(zhì)心運動方程。有控制的火箭繞質(zhì)心運動方程中含有給定的控制力矩。求解這組方程的主要方法是數(shù)值計算方法。②火箭軌道優(yōu)化：能夠達到目標的火箭軌道有許多條，需要從中選出一條最佳軌道。在滿足地面跟蹤測量和航區(qū)安全等條件下，這條軌道是最節(jié)省能量或運行時間最短的軌道，也可能是飛行距離最遠或獲得運載量最大的軌道?；鸺壍纼?yōu)化的方法分為間接優(yōu)化法和直接優(yōu)化法。③火箭軌道攝動：分析火箭在受到干擾時的運動狀態(tài)。這類干擾包括火箭特性參數(shù)和設計理論值的偏差，飛行環(huán)境與預先估計值的偏差等。④建立火箭運動和火箭設計中有關參數(shù)的關系。
北大實驗室
北京大學航空航天動力學與控制實驗室擁有一支結構合理、知識全面、敬業(yè)奉獻的研究團隊，現(xiàn)有中國科學院院士1名，長江講座教授1名，教授（研究員）6名，副教授2名，博士生導師7名。
實驗室先后承擔主持國家八五重大基金項目、863課題、國家自然科學基金項目、博士后基金項目等研究任務多項。實驗室與中國航天科技集團公司、中國空間技術研究院、北京控制工程研究所、中國科學院、北京航空航天大學、上海交通大學、香港城市大學、澳大利亞Monash大學、瑞典隆德工學院等海內(nèi)外研究機構和大學保持良好的合作關系。
實驗室擁有力學系統(tǒng)與控制博士學位授權點和力學系統(tǒng)與控制專業(yè)碩士點，研究方向涉及非線性系統(tǒng)與控制、復雜力學系統(tǒng)控制、航天器動力學控制、飛行器導航與控制、飛行器控制系統(tǒng)仿真、沖擊動力學、機器人控制、智能控制、多智能群體動力學與控制等近20個研究方向，面向全國招收博士生和碩士生。同時，實驗室還招聘航空航天動力學與控制方向博士后。
實驗室主要實驗設備有機電控制一體化系統(tǒng)和三自由度直升機系統(tǒng)，建立了飛行仿真實驗平臺。
著名科學家
黃文虎
此后，黃文虎長期從事航天動力學與振動工程領域的研究工作，以及飛行器結構強度與動力學的教學工作，取得了驕人的成績：在振動工程、動力學與控制及故障診斷等方面，解決了國內(nèi)多項較重大工程項目中的關鍵科技問題；在復雜結構的振動分析和振動設計方面，提出了汽輪機整圈連接長葉片組振動設計的新方法和葉片組調(diào)頻的“三重點”理論，解決了我國自行設計大容量汽輪機中的一個技術關鍵；針對高速旋轉(zhuǎn)機械以及空間飛行器等設備的故障診斷，提出了一系列新概念和新方法……1995年，黃文虎當選為中國工程院院士。
黃文虎是永康舟山村人，2002年75歲。父親曾在上海郵局工作，黃文虎不到10歲就到金華中學附小讀書。不久，日本侵略中國。日軍的飛機對金華進行了瘋狂的轟炸，第一次轟炸在金華火車站附近一帶扔下了6枚炸彈。黃文虎親眼目睹了炸彈炸出的6個大彈坑。由于戰(zhàn)亂，黃文虎不得不逃難回到了永康老家。后來，黃文虎考入了分散在金華嶺下朱附近的方山嶺、蒲塘等5個地方辦學的金華中學。當時，點的是昏暗的桐油燈，住的是祠堂廟宇。黃文虎記得，他的床在上鋪，晚上睡覺時，頭剛好緊挨著一排排令人恐怖的神主牌位。盡管如此，黃文虎對這段時光仍充滿了無限的留戀。采訪時，黃文虎情不自禁地哼出了60多年前金華中學音樂老師自己譜曲并填詞的一首抗日歌曲：風……海風……浪……海浪……
黃文虎曾任哈爾濱工業(yè)大學校長、研究生院院長等職，現(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學航天學院教授、全國重點學科“一般力學與力學基礎”學科學術帶點人。黃文虎在金華職業(yè)技術學院的創(chuàng)辦過程中起了重要的作用，至今還是金華職業(yè)技術學院的名譽院長。
研究內(nèi)容
航天動力學的研究內(nèi)容包括：航天器的質(zhì)心運動，稱軌道運動；航天器相對于自身質(zhì)心的運動，稱姿態(tài)運動；與航天器發(fā)射、航天器軌道機動有關的火箭的運動。
航天器的飛行過程一般可以分為三個階段：①發(fā)射段。航天器由運載火箭、航天飛機攜帶，從地面起飛達到預定的高度和速度的階段。②運行軌道段。航天器主要在萬有引力等自然界外力作用下運動的階段。有時為了保持預定的軌道，需要施加一定的推力；有時作軌道機動則需要對航天器施加比較大的推力。③降落軌道段。一些航天器需要返回地球表面或降落在目標天體的表面。這時航天器在火箭推力、氣動阻力（或升力）等作用下，離開運行軌道向天體表面降落。在以上各階段中，航天器運動都包含軌道運動和姿態(tài)運動兩個部分。
按研究內(nèi)容可分為航天器動力學和火箭動力學。航天器動力學又分為航天器軌道動力學、航天器姿態(tài)動力學和航天器再入動力學。研究航天器質(zhì)心運動的學科。經(jīng)典天體力學研究自然界天體的運動，在研究大行星、月球運動的基礎上，總結出軌道攝動理論。航天器軌道動力學是在這個基礎上發(fā)展起來的。
20世紀50年代末在一些航天器相繼發(fā)射成功后，軌道動力學發(fā)展成為與工程實踐密切聯(lián)系的應用學科，其研究內(nèi)容也超出了傳統(tǒng)的天體力學范圍。主要包括軌道理論研究和軌道應用研究。
①軌道理論研究。目的在于精確地求出航天器任意時刻的位置和速度。軌道理論以天體力學中的攝動理論為基礎。將航天器軌道分為兩部分：一部分是簡化理論軌道；另一部分是實際軌道和簡化理論軌道的差，稱為軌道攝動。求解軌道攝動的方法有近似解析法和數(shù)值積分法。軌道理論研究是軌道應用研究的基礎。
②軌道應用研究。包括軌道設計、軌道確定、攝動因素研究等。航天器與自然天體的區(qū)別是其軌道可以人為地選擇和控制，業(yè)已設計成功的實用軌道主要有地球靜止軌道、回歸軌道、太陽同步軌道、極軌道、凍結軌道等。根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定航天器軌道的過程稱為軌道確定。與自然天體相比，航天器的運動角速度大，且與地球站保持無線電聯(lián)系。在以自然天體為研究對象的古典軌道確定方法基礎上，逐步形成了更實用的方法，滿足了精度高、實時性強的要求。精確測得的軌道又為研究攝動因素提供信息，用以研究天體引力場、天體形狀、大氣密度等。研究航天器繞其質(zhì)心運動或航天器各部分之間的相對運動的學科。求出任意時刻的航天器姿態(tài)是姿態(tài)動力學的基本任務。其具體過程是：建立動力學模型，分析作用力和力矩，建立和求解運動方程。根據(jù)航天器的任務，航天器在運行過程中要求保持一定的姿態(tài)或改變姿態(tài)。為此，要尋求簡單、經(jīng)濟的穩(wěn)定方式和機動方法。姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機動方法可根據(jù)消耗能源的情況分為：①被動式。不需要供給能源，利用自然環(huán)境和航天器運動的特性，如重力梯度穩(wěn)定、自旋穩(wěn)定等。
②主動式。需要消耗能源，如采用推力系統(tǒng)的三軸穩(wěn)定、以飛輪為主的三軸穩(wěn)定。
③半主動半被動式。是前兩種方式的合理組合，適時地施加控制力矩用以克服自然界的干擾，實現(xiàn)姿態(tài)長期穩(wěn)定。研究航天器進入行星大氣層或再入地球大氣層時的質(zhì)心運動和姿態(tài)運動的學科。航天器再入動力學的基礎是經(jīng)典力學、變質(zhì)量力學、空氣動力學、控制理論。其任務是求出任意時刻航天器的質(zhì)心運動參數(shù)和姿態(tài)運動參數(shù)。求解方法主要是數(shù)值積分法。設計的目標是尋求一條在著陸點精度、過載峰值、氣動力加熱等方面均滿足設計要求的再入（或進入）軌道。研究運載器、運輸器質(zhì)心運動和姿態(tài)運動的學科。火箭動力學的基礎是經(jīng)典力學、變質(zhì)量力學、空氣動力學、控制理論。任務是求出任意時刻火箭的運動狀態(tài)，分析火箭姿態(tài)運動的穩(wěn)定性。
研究內(nèi)容包括：①建立和求解火箭運動方程。包括軌道方程和姿態(tài)方程。求解方法主要是數(shù)值積分法。②火箭軌道優(yōu)化。能完成使命的火箭軌道往往有許多條，在滿足航區(qū)安全和地面跟蹤測量的前提下，選出一條最佳軌道。所謂最佳，有時指運載量最大，有時指精度最高，有時指飛行時間最短等。③姿態(tài)穩(wěn)定性分析。在外界干擾力矩作用下并考慮箭體彈性、液體晃動等情況下分析火箭飛行的穩(wěn)定性。
參考資料
[1]
美空軍成功發(fā)射第4架次X-37B軌道測試飛行器 · 人民網(wǎng)[引用日期2015-12-28]
航天動力學
暫無
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這家伙太懶了，什么都沒寫！
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