航天器氣動力輔助變軌動力學與最優控製 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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吳德隆 著

圖書標籤:

• 航天器
• 氣動力學
• 變軌
• 動力學
• 最優控製
• 航天工程
• 氣動控製
• 軌道力學
• 飛行器
• 空間機動

齣版社： 中國宇航齣版社

ISBN：9787802180314

版次：1

商品編碼：10572930

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2006-05-01

頁數：308

內容簡介

《航天器氣動力輔助變軌動力學與最優控製》是一部全麵、係統、深入的理論與應用專著，論述瞭氣動共麵、異麵和推力協同變軌，氣動攔截與交會，氣動引力轉彎，變氣動外形飛行、著陸與返迴，以及這些軌道轉移在給定約束條件下，如燃料消耗、熱流、過載、動壓和飛行高度降等，最優軌道設計和其控製策略。

目錄

上篇 最優氣動力輔助變軌

第1章 緒論

1．1 航天技術發展與氣動力輔助變軌飛行器

1．2 氣動力輔助變軌及其研究進展

1．2．1 最優大氣輔助變軌理論簡述

1．2．2 最優大氣輔助變軌研究的進展

1．3 有限推力變軌及其研究進展

1．4 軌道優化理論與最優控製的研究進展

1．4．1 從古典變分到現代最優控製理論

1．4．2 最優變軌的製導方法研究

1．5 本書的主要研究內容



第2章 最優化理論及其求解方法

2．1 最優問題的提法

2．1．1 最優控製問題的數學描述

2．1．2 拉格朗日、邁耶、博爾紮和切比雪夫問題

2．1．3 最優解的存在性

2．2 變分法和最優控製問題的間接求解方法

2．2．1 最優控製問題中的變分法

2．2．2 間接法中的D型拉格朗日函數

2．2．3 間接法中P型拉格朗日函數

2．2．4 龐特裏亞金極大值原理和兩點邊值問題的數值解

2．3 極值弧

2．3．1 正常弧

2．3．2 奇異弧

2．3．3 連接條件

2．4 直接解法



第3章 飛行器運動方程

3．1 大氣中飛行器運動方程

3．1．1 坐標及其坐標變換

3．1．2 大氣層內的運動微分方程

3．1．3 地球(行星)大氣鏇轉對飛行器運動的影響

3．2 大氣飛行中飛行器的縱嚮運動方程和側嚮運動方程

3．3 修正Chapman變量錶示的運動方程及其改進方程

3．3．1 修正Chapman變量錶示的運動方程

3．3．2 計及行星鏇轉大氣的精確運動方程

3．3．3 四參數變分方程――精確運動方程的優化解

3．4 太陽係內飛行器航行的運動方程

3．4．1 在星際航行的運動方程

3．4．2 航天器在太陽坐標係與在行星坐標係運動參數之間轉換

3．4．3 行星大氣層內飛行運動方程

3．5 運動方程的簡化式



第4章 優化變軌的性能指標和參數分析

4．1 空間飛行任務的低成本問題

4．1．1 軌道轉移飛行

4．1．2 星際航行飛行

4．1．3 協同機動(Synergetic Maneuver)飛行

4．2 優化彈道的性能指標

4．2．1 性能指標

4．2．2 組閤性能指標

4．3 氣動輔助變軌的參數分析

4．3．1 升阻比對變軌性能的影響

4．3．2 彈道係數對變軌性能的影響

4．3．3 大氣參數對變軌性能的影響

4．3．4 近地點高度對變軌性能的影響

4．3．5 最大升力係數對變軌性能的影響



第5章 燃料最省氣動力輔助平麵變軌

5．1 大氣輔助平麵變軌問題

5．2 最優大氣飛行

5．3 邊界條件分析

5．4 控製約束問題的簡化

5．5 數值算例及分析



第6章 燃料最省氣動力輔助異麵變軌

6．1 大氣輔助異麵優化變軌

6．2 邊界條件分析

6．2．1 大氣飛行段傾角變化量固定

6．2．2 大氣飛行段傾角變化量最優

……

第7章 熱流限製下的最優氣動力輔助變軌

第8章 過載限製下的最優氣動力輔助變軌

第9章 氣動輔助變軌中的推理協同控製

第10章 氣動力輔助空間攔截和交會

第11章 基於氣動輔助變軌的變氣動外形飛行器

第12章 星際航行中氣動力輔助變軌

第13章 氣動力輔助變軌的控製

附錄 13．A

附錄 13．B



下篇 大氣層外最優變軌

第14章 最省燃料共麵軌道有限推力變軌

第15章 空間異麵多次變軌

參考文獻

附錄A 地球和大氣模型

附錄B 飛行器氣動模型

附錄C 軌道參數與運動參數之間的關係（量綱）

前言/序言

《航天器氣動力輔助變軌動力學與最優控製》 概述 本書深入探討航天器在氣動環境中實現高效變軌的復雜動力學問題，並在此基礎上，為變軌過程設計最優控製策略。本書聚焦於氣動力在軌道機動中的關鍵作用，詳細分析瞭氣動力對航天器軌道運動的影響機製，以及如何利用氣動效應輔助或實現精確的軌道變更。同時，本書也將變軌過程的動力學建模與最優控製理論相結閤，力求在滿足軌道控製精度的前提下，最大程度地降低燃料消耗，提高任務效率。 內容詳述 第一部分：航天器氣動力學基礎與變軌環境分析 1. 航天器氣動力學基礎： 高層大氣環境模型： 詳細介紹不同高度範圍（如近地軌道、轉移軌道）的高層大氣密度、溫度、成分等參數模型，以及這些參數隨太陽活動、地磁活動、季節等因素的變化規律。 流體力學基本原理： 迴顧適用於航天器穿越稀薄大氣流動（如自由分子流、過渡流、連續流）的空氣動力學基本理論，包括粘性效應、熱傳導、分子撞擊等。 航天器氣動力與力矩的産生機製： 闡述航天器錶麵形狀、迎角、攻角、飛行速度、大氣密度等因素如何影響氣動力（升力、阻力）和氣力矩（俯仰力矩、偏航力矩、滾轉力矩）的産生。 氣動力係數的計算與建模： 介紹計算和建模航天器氣動力係數的方法，包括基於CFD（計算流體力學）的仿真方法、風洞試驗數據擬閤、以及解析模型（如自由分子流模型、概率模型）的應用。重點關注不同飛行狀態下氣動力係數的非綫性變化。 2. 氣動輔助變軌的物理機製： 利用大氣阻力進行減速變軌： 詳細分析航天器在穿越大氣層時，利用其固有的或可控的氣動阻力，實現軌道能量的有效降低，例如軌道衰減、再入軌道準備等。 利用大氣升力進行軌道調整： 探討通過改變航天器姿態（迎角、側滑角）來産生氣動升力，從而實現軌道平麵的調整、軌道高度的微小變化、以及軌道傾角的修正。 氣動操縱的潛力與局限性： 分析氣動力輔助變軌的優勢，如潛在的燃料節省、更精細的軌道控製等，同時也要指齣其局限性，如對大氣環境的依賴、氣動力的非綫性與不確定性、以及對航天器結構的承受能力要求。 第二部分：航天器氣動力輔助變軌的動力學建模 1. 航天器軌道動力學基礎： 牛頓引力定律與軌道力學： 迴顧描述航天器在引力作用下運動的基本方程，包括二體問題、近圓軌道近似等。 攝動力源的建模： 引入除瞭中心天體引力以外的其他攝動力源，如地球非球形引力、太陽和月球引力、大氣阻力（作為主要研究對象）、以及太陽輻射壓等。 2. 氣動力耦閤的航天器軌道動力學模型： 慣性參考係下的運動方程： 建立在慣性參考係（如地心慣性係）下，綜閤考慮引力、氣動力、氣力矩以及推力等作用的航天器運動方程。 姿態動力學與氣動力矩的耦閤： 詳細分析氣動力矩對航天器姿態動態的影響，建立氣動力矩模型，並研究其與航天器姿態控製係統的交互作用。 氣動力模型在高層大氣變軌中的考慮： 強調在不同高度和速度下，氣動力模型的準確性對變軌精度的重要性，特彆是稀薄大氣效應。 數值積分方法與模型驗證： 介紹常用的數值積分方法（如龍格-庫塔法）用於求解高度耦閤的動力學方程，並討論模型的驗證方法，如與簡化模型或飛行數據的對比。 第三部分：航天器氣動力輔助變軌的最優控製理論與方法 1. 最優控製理論基礎： 變分法與Hamilton原理： 迴顧求解最優控製問題的基本數學工具，包括泛函的極值問題，以及Pontryagin最小/最大值原理。 動態規劃： 介紹動態規劃在離散和連續係統最優控製中的應用，特彆是求取值函數和最優控製律。 綫性二次型調節器（LQR）： 介紹LQR在近似綫性係統或綫性化係統中的最優控製設計。 2. 基於氣動力輔助的變軌最優控製問題構建： 目標函數的設計： 明確變軌任務的目標，如最小化燃料消耗、最小化變軌時間、最大化軌道精度、或其組閤。例如，以推進劑質量為目標函數，或以推力纍計消耗為目標函數。 約束條件的定義： 明確變軌過程必須滿足的約束，包括： 狀態約束： 航天器在軌道上的軌道要素（如半長軸、偏心率、傾角）必須達到預定目標值。 控製約束： 發動機推力的大小和方嚮受限，姿態控製器的執行器能力受限。 環境約束： 航天器需在允許的過載、溫度、氣動加熱等範圍內運行。 氣動約束： 航天器姿態的變化受到氣動力的影響，不能任意改變。 狀態方程與控製方程的引入： 將前述動力學模型中的狀態方程和控製方程作為最優控製問題的基本方程。 3. 氣動力輔助變軌最優控製策略的設計： 推力最優控製： 連續推力最優控製： 利用Pontryagin最小/最大值原理，推導在連續推力作用下的最優推力幅度和方嚮策略，考慮氣動力對推力指令的影響。 脈衝推力最優控製： 在某些特定情況下，將推力視為脈衝，求解最優的脈衝施加時間和大小，並考慮氣動力在脈衝間的積分效應。 姿態最優控製與氣動操縱： 氣動麵偏轉控製： 如果航天器具有可控的氣動麵（如副翼、升降舵），則設計最優的氣動麵偏轉策略，以輔助或主導軌道變更。 姿態角最優控製： 在沒有專門氣動麵的情況下，通過優化航天器整體姿態角（迎角、側滑角）來産生所需的升力和阻力，實現軌道調整。 推力和姿態協同最優控製： 考慮發動機推力控製和姿態氣動操縱的協同作用，設計更全麵的最優控製律。 在綫與離綫最優控製： 區分在綫（實時計算）和離綫（預先計算）的最優控製方法，探討在不同任務場景下的適用性。 數值求解算法： 介紹求解復雜非綫性最優控製問題的數值算法，如僞譜法、直接法（如打靶法、多重打靶法）、間接法（基於邊值問題）等。 第四部分：氣動力輔助變軌的實際應用與挑戰 1. 具體變軌任務案例分析： 大氣層內軌道保持與微調： 例如，在近地軌道上，利用微弱的氣動力進行軌道高度的維持或小的軌道要素調整，以減少推進劑消耗。 氣動力輔助軌道降低與再入： 詳細分析如何利用氣動力精確控製再入軌道，以滿足再入點的精度要求，並考慮再入過程的安全性。 行星際轉移軌道中的氣動力利用： 探討在穿越行星大氣層時，如何利用氣動力進行軌道形狀或方嚮的調整，實現“引力彈弓”效應與氣動力輔助的結閤。 2. 氣動力不確定性與魯棒控製： 氣動力模型誤差的來源： 分析氣動力模型的不確定性，包括大氣模型誤差、航天器錶麵狀態變化（如附著物）、飛行器姿態測量誤差等。 魯棒最優控製設計： 探討如何設計能夠應對氣動力不確定性的魯棒最優控製策略，以保證變軌任務的成功執行。例如，采用區間分析、不確定性集等方法。 3. 氣動與推進係統協同設計： 氣動外形對變軌性能的影響： 研究航天器氣動外形設計如何影響其變軌能力，例如，通過優化外形以增強升力或控製阻力。 推進係統與氣動操縱的集成： 探討如何將推力控製和氣動操縱有機結閤，實現最優的變軌效果。 結論 本書旨在為航天器設計者、軌道動力學與控製工程師提供一個係統性的理論框架和實用工具，以理解和利用氣動力在航天器變軌任務中的巨大潛力。通過深入研究氣動力學、精細化動力學建模以及先進的最優控製理論，本書為實現更經濟、更高效、更精確的航天器軌道機動提供瞭堅實的理論基礎和方法論指導。本書的研究成果將有助於提升航天器在軌服務、空間探測、載人航天等領域的可行性和任務性能。

評分☆☆☆☆☆

這本《航天器氣動力輔助變軌動力學與最優控製》給我帶來的，是關於“動力學”本身的一種全新審視。我之前對動力學的理解，可能更多停留在牛頓力學和拉格朗日方程的層麵。但這本書將“氣動力”這一動態變化的外部因素，與航天器自身的動力學模型緊密結閤起來，形成瞭一個更為復雜但同時也更加真實的係統。它詳細地分析瞭氣動力對航天器姿態和軌道的影響，以及如何利用這些影響來達到變軌的目的。我特彆喜歡書中對“耦閤效應”的探討，也就是說，氣動力不僅影響軌道，也反過來影響航天器的姿態，而姿態又影響氣動力，這種復雜的反饋機製，書中都進行瞭細緻的建模和分析。讀到這裏，我腦海中浮現齣各種科幻電影中航天器在行星大氣層中穿梭的場景，原來背後有著如此精密的物理和數學支撐。書中對不同類型航天器（如具有不同氣動外形的）動力學特性的對比分析，也讓我對工程設計的“量體裁衣”有瞭更直觀的認識。它不僅僅是理論，更是一種對現實工程問題的深刻洞察。

評分☆☆☆☆☆

這本《航天器氣動力輔助變軌動力學與最優控製》真是給瞭我一個全新的視角來理解航天器在稠密大氣層中的機動。以往我總覺得變軌是個純粹的軌道力學問題，火箭發動機一開一關，軌跡就變瞭。但這本書卻巧妙地將“氣動力”這個平時可能被忽視的因素，提升到瞭核心地位。它詳細闡述瞭如何利用大氣阻力、升力以及側嚮力這些“免費”的能量來進行變軌，就像滑翔機利用上升氣流一樣，隻是規模和精度要求完全不同。我特彆被其中關於“氣動梯度”的概念所吸引，它解釋瞭在不同高度和速度下，氣動力的變化如何影響變軌的效率和可行性。書中大量的數學模型和仿真結果，雖然一度讓我燒腦，但每次啃下來，都覺得對航天器“飛”起來的理解又深瞭一層。尤其是在提及某些具體航天器型號（雖然書中沒有直接點名，但從描述中可以推測）在再入大氣層時，如何通過精妙的姿態調整來達到減速、變軌甚至精確著陸的目的，簡直是教科書般的案例。這本書讓我認識到，在浩瀚的宇宙探索中，有時候“藉力打力”比“蠻力硬闖”更能體現智慧。它不僅僅是理論推導，更多的是一種工程上的創新思維。

評分☆☆☆☆☆

我一直對航天器的“控製”這一部分非常感興趣，而《航天器氣動力輔助變軌動力學與最優控製》在這方麵無疑達到瞭一個相當的高度。書中關於“最優控製”的章節，真的是讓人大開眼界。它不僅僅是簡單地告訴你如何去控製，而是深入探討瞭在各種約束條件下（比如燃料消耗、過載限製、姿態精度等），如何找到那個“最佳”的控製策略。我印象最深刻的是關於“龐特裏亞金最小值原理”在氣動力輔助變軌中的應用，那種數學上的嚴謹和邏輯的推演，仿佛在構建一個完美的控製藍圖。書中用大量的篇幅去分析不同優化目標下的控製律，例如如何最大化變軌效率，或者如何最小化變軌時間。我甚至覺得，這本書的很多思想，如果稍加引申，還可以應用到更廣泛的工程領域，比如無人機路徑規劃、機器人運動控製等等。當然，對於我這樣的非專業人士來說，一些高等數學的部分確實有點挑戰，但我能感受到作者的功底，以及他試圖將復雜問題簡單化、清晰化的努力。讀完這部分，我對“智能控製”有瞭更深刻的理解，也更加佩服那些能夠設計齣如此精妙控製算法的工程師們。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，閱讀《航天器氣動力輔助變軌動力學與最優控製》的過程，對我而言是一場思維的“重塑”。我原以為變軌就是簡單的軌道力學問題，加上點發動機推力就行瞭。但這本書讓我意識到，“氣動力”這個看似微不足道的因素，在特定的環境下，竟然可以成為變軌的“利器”。它不僅僅是阻力，更包含著升力和側嚮力，這些力都可以被巧妙地利用來調整航天器的軌道。書中對“氣動輔助變軌”的詳細闡述，讓我對航天器在執行任務時的“智慧”有瞭全新的認識。尤其是一些關於“非圓軌道”和“低能耗轉移”的章節，讓我驚嘆於科學傢和工程師們如何通過精確計算和巧妙設計，用最少的能量實現最理想的軌道變化。讀到後麵，甚至開始思考，這種將外部環境因素巧妙利用的思想，是不是可以推廣到其他領域，比如新能源的開發，或者城市交通的優化等等。它讓我感受到，科學的魅力不僅在於探索未知，更在於發現並利用已有的規律。

評分☆☆☆☆☆

我對《航天器氣動力輔助變軌動力學與最優控製》這本書的興趣，更多源於它所展現齣的“前沿性”和“實用性”。書中關於“氣動力輔助變軌”的理論，我之前在公開的資料中零星接觸過，但這本書卻將這些零散的知識係統化、深入化，並與“最優控製”這一關鍵技術緊密結閤。它不隻是紙上談兵，而是提供瞭大量的數學模型、仿真分析和一些工程上的考量，讓我感覺到這是一本真正能夠指導實踐的書籍。我尤其喜歡書中對“控製精度”和“魯棒性”的探討，這對於航天這種高風險、高精度的領域來說至關重要。它讓我意識到，理論上的完美控製，在實際操作中可能會遇到各種挑戰，而這本書正是試圖為這些挑戰提供解決方案。讀完這本書，我感覺自己對航天器“變軌”的理解，已經從一個模糊的概念，變成瞭一個清晰、具體、可操作的工程問題。它讓我看到瞭，在未來航天探索中，如何更加高效、經濟地完成軌道機動。