航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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吴德隆 著

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• 航天器
• 气动力学
• 变轨
• 动力学
• 最优控制
• 航天工程
• 气动控制
• 轨道力学
• 飞行器
• 空间机动

出版社： 中国宇航出版社

ISBN：9787802180314

版次：1

商品编码：10572930

包装：平装

开本：16开

出版时间：2006-05-01

页数：308

内容简介

《航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制》是一部全面、系统、深入的理论与应用专著，论述了气动共面、异面和推力协同变轨，气动拦截与交会，气动引力转弯，变气动外形飞行、着陆与返回，以及这些轨道转移在给定约束条件下，如燃料消耗、热流、过载、动压和飞行高度降等，最优轨道设计和其控制策略。

目录

上篇 最优气动力辅助变轨

第1章 绪论

1．1 航天技术发展与气动力辅助变轨飞行器

1．2 气动力辅助变轨及其研究进展

1．2．1 最优大气辅助变轨理论简述

1．2．2 最优大气辅助变轨研究的进展

1．3 有限推力变轨及其研究进展

1．4 轨道优化理论与最优控制的研究进展

1．4．1 从古典变分到现代最优控制理论

1．4．2 最优变轨的制导方法研究

1．5 本书的主要研究内容



第2章 最优化理论及其求解方法

2．1 最优问题的提法

2．1．1 最优控制问题的数学描述

2．1．2 拉格朗日、迈耶、博尔扎和切比雪夫问题

2．1．3 最优解的存在性

2．2 变分法和最优控制问题的间接求解方法

2．2．1 最优控制问题中的变分法

2．2．2 间接法中的D型拉格朗日函数

2．2．3 间接法中P型拉格朗日函数

2．2．4 庞特里亚金极大值原理和两点边值问题的数值解

2．3 极值弧

2．3．1 正常弧

2．3．2 奇异弧

2．3．3 连接条件

2．4 直接解法



第3章 飞行器运动方程

3．1 大气中飞行器运动方程

3．1．1 坐标及其坐标变换

3．1．2 大气层内的运动微分方程

3．1．3 地球(行星)大气旋转对飞行器运动的影响

3．2 大气飞行中飞行器的纵向运动方程和侧向运动方程

3．3 修正Chapman变量表示的运动方程及其改进方程

3．3．1 修正Chapman变量表示的运动方程

3．3．2 计及行星旋转大气的精确运动方程

3．3．3 四参数变分方程――精确运动方程的优化解

3．4 太阳系内飞行器航行的运动方程

3．4．1 在星际航行的运动方程

3．4．2 航天器在太阳坐标系与在行星坐标系运动参数之间转换

3．4．3 行星大气层内飞行运动方程

3．5 运动方程的简化式



第4章 优化变轨的性能指标和参数分析

4．1 空间飞行任务的低成本问题

4．1．1 轨道转移飞行

4．1．2 星际航行飞行

4．1．3 协同机动(Synergetic Maneuver)飞行

4．2 优化弹道的性能指标

4．2．1 性能指标

4．2．2 组合性能指标

4．3 气动辅助变轨的参数分析

4．3．1 升阻比对变轨性能的影响

4．3．2 弹道系数对变轨性能的影响

4．3．3 大气参数对变轨性能的影响

4．3．4 近地点高度对变轨性能的影响

4．3．5 最大升力系数对变轨性能的影响



第5章 燃料最省气动力辅助平面变轨

5．1 大气辅助平面变轨问题

5．2 最优大气飞行

5．3 边界条件分析

5．4 控制约束问题的简化

5．5 数值算例及分析



第6章 燃料最省气动力辅助异面变轨

6．1 大气辅助异面优化变轨

6．2 边界条件分析

6．2．1 大气飞行段倾角变化量固定

6．2．2 大气飞行段倾角变化量最优

……

第7章 热流限制下的最优气动力辅助变轨

第8章 过载限制下的最优气动力辅助变轨

第9章 气动辅助变轨中的推理协同控制

第10章 气动力辅助空间拦截和交会

第11章 基于气动辅助变轨的变气动外形飞行器

第12章 星际航行中气动力辅助变轨

第13章 气动力辅助变轨的控制

附录 13．A

附录 13．B



下篇 大气层外最优变轨

第14章 最省燃料共面轨道有限推力变轨

第15章 空间异面多次变轨

参考文献

附录A 地球和大气模型

附录B 飞行器气动模型

附录C 轨道参数与运动参数之间的关系（量纲）

前言/序言

《航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制》 概述 本书深入探讨航天器在气动环境中实现高效变轨的复杂动力学问题，并在此基础上，为变轨过程设计最优控制策略。本书聚焦于气动力在轨道机动中的关键作用，详细分析了气动力对航天器轨道运动的影响机制，以及如何利用气动效应辅助或实现精确的轨道变更。同时，本书也将变轨过程的动力学建模与最优控制理论相结合，力求在满足轨道控制精度的前提下，最大程度地降低燃料消耗，提高任务效率。 内容详述 第一部分：航天器气动力学基础与变轨环境分析 1. 航天器气动力学基础： 高层大气环境模型： 详细介绍不同高度范围（如近地轨道、转移轨道）的高层大气密度、温度、成分等参数模型，以及这些参数随太阳活动、地磁活动、季节等因素的变化规律。 流体力学基本原理： 回顾适用于航天器穿越稀薄大气流动（如自由分子流、过渡流、连续流）的空气动力学基本理论，包括粘性效应、热传导、分子撞击等。 航天器气动力与力矩的产生机制： 阐述航天器表面形状、迎角、攻角、飞行速度、大气密度等因素如何影响气动力（升力、阻力）和气力矩（俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩）的产生。 气动力系数的计算与建模： 介绍计算和建模航天器气动力系数的方法，包括基于CFD（计算流体力学）的仿真方法、风洞试验数据拟合、以及解析模型（如自由分子流模型、概率模型）的应用。重点关注不同飞行状态下气动力系数的非线性变化。 2. 气动辅助变轨的物理机制： 利用大气阻力进行减速变轨： 详细分析航天器在穿越大气层时，利用其固有的或可控的气动阻力，实现轨道能量的有效降低，例如轨道衰减、再入轨道准备等。 利用大气升力进行轨道调整： 探讨通过改变航天器姿态（迎角、侧滑角）来产生气动升力，从而实现轨道平面的调整、轨道高度的微小变化、以及轨道倾角的修正。 气动操纵的潜力与局限性： 分析气动力辅助变轨的优势，如潜在的燃料节省、更精细的轨道控制等，同时也要指出其局限性，如对大气环境的依赖、气动力的非线性与不确定性、以及对航天器结构的承受能力要求。 第二部分：航天器气动力辅助变轨的动力学建模 1. 航天器轨道动力学基础： 牛顿引力定律与轨道力学： 回顾描述航天器在引力作用下运动的基本方程，包括二体问题、近圆轨道近似等。 摄动力源的建模： 引入除了中心天体引力以外的其他摄动力源，如地球非球形引力、太阳和月球引力、大气阻力（作为主要研究对象）、以及太阳辐射压等。 2. 气动力耦合的航天器轨道动力学模型： 惯性参考系下的运动方程： 建立在惯性参考系（如地心惯性系）下，综合考虑引力、气动力、气力矩以及推力等作用的航天器运动方程。 姿态动力学与气动力矩的耦合： 详细分析气动力矩对航天器姿态动态的影响，建立气动力矩模型，并研究其与航天器姿态控制系统的交互作用。 气动力模型在高层大气变轨中的考虑： 强调在不同高度和速度下，气动力模型的准确性对变轨精度的重要性，特别是稀薄大气效应。 数值积分方法与模型验证： 介绍常用的数值积分方法（如龙格-库塔法）用于求解高度耦合的动力学方程，并讨论模型的验证方法，如与简化模型或飞行数据的对比。 第三部分：航天器气动力辅助变轨的最优控制理论与方法 1. 最优控制理论基础： 变分法与Hamilton原理： 回顾求解最优控制问题的基本数学工具，包括泛函的极值问题，以及Pontryagin最小/最大值原理。 动态规划： 介绍动态规划在离散和连续系统最优控制中的应用，特别是求取值函数和最优控制律。 线性二次型调节器（LQR）： 介绍LQR在近似线性系统或线性化系统中的最优控制设计。 2. 基于气动力辅助的变轨最优控制问题构建： 目标函数的设计： 明确变轨任务的目标，如最小化燃料消耗、最小化变轨时间、最大化轨道精度、或其组合。例如，以推进剂质量为目标函数，或以推力累计消耗为目标函数。 约束条件的定义： 明确变轨过程必须满足的约束，包括： 状态约束： 航天器在轨道上的轨道要素（如半长轴、偏心率、倾角）必须达到预定目标值。 控制约束： 发动机推力的大小和方向受限，姿态控制器的执行器能力受限。 环境约束： 航天器需在允许的过载、温度、气动加热等范围内运行。 气动约束： 航天器姿态的变化受到气动力的影响，不能任意改变。 状态方程与控制方程的引入： 将前述动力学模型中的状态方程和控制方程作为最优控制问题的基本方程。 3. 气动力辅助变轨最优控制策略的设计： 推力最优控制： 连续推力最优控制： 利用Pontryagin最小/最大值原理，推导在连续推力作用下的最优推力幅度和方向策略，考虑气动力对推力指令的影响。 脉冲推力最优控制： 在某些特定情况下，将推力视为脉冲，求解最优的脉冲施加时间和大小，并考虑气动力在脉冲间的积分效应。 姿态最优控制与气动操纵： 气动面偏转控制： 如果航天器具有可控的气动面（如副翼、升降舵），则设计最优的气动面偏转策略，以辅助或主导轨道变更。 姿态角最优控制： 在没有专门气动面的情况下，通过优化航天器整体姿态角（迎角、侧滑角）来产生所需的升力和阻力，实现轨道调整。 推力和姿态协同最优控制： 考虑发动机推力控制和姿态气动操纵的协同作用，设计更全面的最优控制律。 在线与离线最优控制： 区分在线（实时计算）和离线（预先计算）的最优控制方法，探讨在不同任务场景下的适用性。 数值求解算法： 介绍求解复杂非线性最优控制问题的数值算法，如伪谱法、直接法（如打靶法、多重打靶法）、间接法（基于边值问题）等。 第四部分：气动力辅助变轨的实际应用与挑战 1. 具体变轨任务案例分析： 大气层内轨道保持与微调： 例如，在近地轨道上，利用微弱的气动力进行轨道高度的维持或小的轨道要素调整，以减少推进剂消耗。 气动力辅助轨道降低与再入： 详细分析如何利用气动力精确控制再入轨道，以满足再入点的精度要求，并考虑再入过程的安全性。 行星际转移轨道中的气动力利用： 探讨在穿越行星大气层时，如何利用气动力进行轨道形状或方向的调整，实现“引力弹弓”效应与气动力辅助的结合。 2. 气动力不确定性与鲁棒控制： 气动力模型误差的来源： 分析气动力模型的不确定性，包括大气模型误差、航天器表面状态变化（如附着物）、飞行器姿态测量误差等。 鲁棒最优控制设计： 探讨如何设计能够应对气动力不确定性的鲁棒最优控制策略，以保证变轨任务的成功执行。例如，采用区间分析、不确定性集等方法。 3. 气动与推进系统协同设计： 气动外形对变轨性能的影响： 研究航天器气动外形设计如何影响其变轨能力，例如，通过优化外形以增强升力或控制阻力。 推进系统与气动操纵的集成： 探讨如何将推力控制和气动操纵有机结合，实现最优的变轨效果。 结论 本书旨在为航天器设计者、轨道动力学与控制工程师提供一个系统性的理论框架和实用工具，以理解和利用气动力在航天器变轨任务中的巨大潜力。通过深入研究气动力学、精细化动力学建模以及先进的最优控制理论，本书为实现更经济、更高效、更精确的航天器轨道机动提供了坚实的理论基础和方法论指导。本书的研究成果将有助于提升航天器在轨服务、空间探测、载人航天等领域的可行性和任务性能。

评分☆☆☆☆☆

这本《航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制》给我带来的，是关于“动力学”本身的一种全新审视。我之前对动力学的理解，可能更多停留在牛顿力学和拉格朗日方程的层面。但这本书将“气动力”这一动态变化的外部因素，与航天器自身的动力学模型紧密结合起来，形成了一个更为复杂但同时也更加真实的系统。它详细地分析了气动力对航天器姿态和轨道的影响，以及如何利用这些影响来达到变轨的目的。我特别喜欢书中对“耦合效应”的探讨，也就是说，气动力不仅影响轨道，也反过来影响航天器的姿态，而姿态又影响气动力，这种复杂的反馈机制，书中都进行了细致的建模和分析。读到这里，我脑海中浮现出各种科幻电影中航天器在行星大气层中穿梭的场景，原来背后有着如此精密的物理和数学支撑。书中对不同类型航天器（如具有不同气动外形的）动力学特性的对比分析，也让我对工程设计的“量体裁衣”有了更直观的认识。它不仅仅是理论，更是一种对现实工程问题的深刻洞察。

评分☆☆☆☆☆

我一直对航天器的“控制”这一部分非常感兴趣，而《航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制》在这方面无疑达到了一个相当的高度。书中关于“最优控制”的章节，真的是让人大开眼界。它不仅仅是简单地告诉你如何去控制，而是深入探讨了在各种约束条件下（比如燃料消耗、过载限制、姿态精度等），如何找到那个“最佳”的控制策略。我印象最深刻的是关于“庞特里亚金最小值原理”在气动力辅助变轨中的应用，那种数学上的严谨和逻辑的推演，仿佛在构建一个完美的控制蓝图。书中用大量的篇幅去分析不同优化目标下的控制律，例如如何最大化变轨效率，或者如何最小化变轨时间。我甚至觉得，这本书的很多思想，如果稍加引申，还可以应用到更广泛的工程领域，比如无人机路径规划、机器人运动控制等等。当然，对于我这样的非专业人士来说，一些高等数学的部分确实有点挑战，但我能感受到作者的功底，以及他试图将复杂问题简单化、清晰化的努力。读完这部分，我对“智能控制”有了更深刻的理解，也更加佩服那些能够设计出如此精妙控制算法的工程师们。

评分☆☆☆☆☆

这本《航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制》真是给了我一个全新的视角来理解航天器在稠密大气层中的机动。以往我总觉得变轨是个纯粹的轨道力学问题，火箭发动机一开一关，轨迹就变了。但这本书却巧妙地将“气动力”这个平时可能被忽视的因素，提升到了核心地位。它详细阐述了如何利用大气阻力、升力以及侧向力这些“免费”的能量来进行变轨，就像滑翔机利用上升气流一样，只是规模和精度要求完全不同。我特别被其中关于“气动梯度”的概念所吸引，它解释了在不同高度和速度下，气动力的变化如何影响变轨的效率和可行性。书中大量的数学模型和仿真结果，虽然一度让我烧脑，但每次啃下来，都觉得对航天器“飞”起来的理解又深了一层。尤其是在提及某些具体航天器型号（虽然书中没有直接点名，但从描述中可以推测）在再入大气层时，如何通过精妙的姿态调整来达到减速、变轨甚至精确着陆的目的，简直是教科书般的案例。这本书让我认识到，在浩瀚的宇宙探索中，有时候“借力打力”比“蛮力硬闯”更能体现智慧。它不仅仅是理论推导，更多的是一种工程上的创新思维。

评分☆☆☆☆☆

我对《航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制》这本书的兴趣，更多源于它所展现出的“前沿性”和“实用性”。书中关于“气动力辅助变轨”的理论，我之前在公开的资料中零星接触过，但这本书却将这些零散的知识系统化、深入化，并与“最优控制”这一关键技术紧密结合。它不只是纸上谈兵，而是提供了大量的数学模型、仿真分析和一些工程上的考量，让我感觉到这是一本真正能够指导实践的书籍。我尤其喜欢书中对“控制精度”和“鲁棒性”的探讨，这对于航天这种高风险、高精度的领域来说至关重要。它让我意识到，理论上的完美控制，在实际操作中可能会遇到各种挑战，而这本书正是试图为这些挑战提供解决方案。读完这本书，我感觉自己对航天器“变轨”的理解，已经从一个模糊的概念，变成了一个清晰、具体、可操作的工程问题。它让我看到了，在未来航天探索中，如何更加高效、经济地完成轨道机动。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，阅读《航天器气动力辅助变轨动力学与最优控制》的过程，对我而言是一场思维的“重塑”。我原以为变轨就是简单的轨道力学问题，加上点发动机推力就行了。但这本书让我意识到，“气动力”这个看似微不足道的因素，在特定的环境下，竟然可以成为变轨的“利器”。它不仅仅是阻力，更包含着升力和侧向力，这些力都可以被巧妙地利用来调整航天器的轨道。书中对“气动辅助变轨”的详细阐述，让我对航天器在执行任务时的“智慧”有了全新的认识。尤其是一些关于“非圆轨道”和“低能耗转移”的章节，让我惊叹于科学家和工程师们如何通过精确计算和巧妙设计，用最少的能量实现最理想的轨道变化。读到后面，甚至开始思考，这种将外部环境因素巧妙利用的思想，是不是可以推广到其他领域，比如新能源的开发，或者城市交通的优化等等。它让我感受到，科学的魅力不仅在于探索未知，更在于发现并利用已有的规律。