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第1章 绪论 1

1.1航天飞行器简介 1

1.1.1运载火箭简介 1

1.1.2航天器简介 10

1.1.3航天飞行器分离动力学研究对象 15

1.2载人航天器 15

1.2.1苏联载人航天发展历程 16

1.2.2美国载人航天发展历程 18

1.2.3中国载人航天发展历程 20

1.3航天飞行器的分离与碰撞问题 23

1.3.1概述 23

1.3.2弹道飞行器分离 23

1.3.3轨道飞行器分离 24

1.3.4碰撞 24

1.4发射过程中飞行器的正常分离 26

1.4.1火箭助推器分离 26

1.4.2火箭级间分离 27

1.4.3整流罩分离 28

1.4.4星箭分离 29

1.5载人飞船及应急救生 29

1.5.1载人飞船 29

1.5.2应急救生 32

1.5.3上升段救生 38

1.6逃逸飞行器的应急分离 40

1.6.1逃逸飞行器及逃逸飞行程序 40

1.6.2逃逸飞行中的分离 50

1.7轨道航天器的对接与分离 55

1.7.1轨道航天器的对接 55

1.7.2轨道航天器对接碰撞 59

1.7.3轨道航天器的分离 60

1.7.4对接及分离的安全性 61

1.8本书概要 62

1.8.1研究对象 62

1.8.2主要研究内容 63

1.8.3研究目的 63

第2章 火箭飞行中正常分离动力学模型 64

2.1引言 64

2.2基本坐标系及坐标系间转换关系 64

2.2.1基本坐标系 64

2.2.2坐标系之间的转换关系举例 68

2.3助推器分离的动力学模型 70

2.4火箭级间分离的动力学模型 79

2.5整流罩分离的动力学模型 81

2.6航天器分离的动力学模型 86

2.7分离过程中的运动学分析 90

2.7.1物理量的相互转换关系 90

2.7.2 航天器与末级火箭之间的相对运动分析 92

第3章 逃逸飞行器分离类型 95

31引言 95

3.1.1逃逸分离 95

3.1.2 基本假设 95

3.1.3分离中应考虑的因素 96

3.2有塔逃逸飞行器与运载火箭分离 96

3.2.1有塔逃逸飞行器 96

3.2.2逃逸状态与分离程序 96

3.2.3控制发动机工作模式 99

3.2.4分离结束标志 99

3.3稳定栅格翼的半分离 99

3.4无塔逃逸飞行器与故障火箭分离 101

3.4.1无塔逃逸飞行器 101

3.4.2高空逃逸发动机 102

3.4.3逃逸时序 102

3.5返回舱与有塔逃逸飞行器的分离 103

3.6返回舱与无塔逃逸飞行器的分离 105

第4章 逃逸飞行器运动学模型 107

4.1引言 107

4.2参考坐标系及坐标系之间的关系 107

4.2.1参考坐标系的选取与定义 107

4.2.2 欧拉角定义 111

4.2.3坐标系之间的关系 112

4.3分离中飞行器运动分析 123

第5章 逃逸飞行器相对分离运动学模型 131

5.1引言 131

5.2二体质心相对运动 131

5.2.1相对速度及其在坐标轴上的分量 131

5.2.2相对距离及其在坐标轴上的分量 133

5.3二体刚体相对转动 134

5.3.1相对角速度 134

5.3.2两套欧拉角之间的变换关系 136

5.3.3相对转角 137

5.4在不同飞行体上的点之间的相对运动 139

5.4.1 Q1、Q2是飞行体上确定的点 139

5.4.2 Q1、Q2中只有一个点是确定的点 144

5.5逃逸飞行器与运载火箭的相对运动分析 147

5.5.1分离面的方程 147

5.5.2球面方程 148

5.5.3逃逸飞行器分离面与运载火箭的相对距离 148

5.6返回舱与逃逸飞行器的相对运动分析 152

5.6.1分离第一阶段相对运动分析 152

5.6.2分离第二阶段相对运动分析 155

5.6.3分离第三阶段相对运动分析 160

第6章 逃逸飞行器载荷分析 164

6.1引言 164

6.2有塔逃逸飞行器与故障火箭分离时作用在逃逸飞行器上的载荷 164

6.2.1发动机推力 164

6.2.2发动机推力矩 167

6.2.3 重力 170

6.2.4气动力R及其在体坐标系中的分量 171

6.2.5气动力矩 171

6.2.6连接插头的摩擦力FL及其在体坐标系中的分量 173

6.2.7连接插头提供的力矩ML 174

6.2.8附加科氏力Fk 180

6.2.9 附加科氏力矩Mk 181

6.3作用在栅格翼上的载荷 185

6.3.1作用在栅格翼上的力 185

6.3.2作用在栅格翼上的外力矩 196

6.4无塔逃逸飞行器与故障火箭分离时载荷分析 204

6.5返回舱与有塔逃逸飞行器分离时载荷分析 213

6.5.1分离第一阶段载荷分析 213

6.5.2分离第二阶段载荷分析 218

6.5.3分离第三阶段 224

6.6返回舱与无塔逃逸飞行器分离时载荷分析 224

6.6.1分离第一阶段 225

6.6.2分离第二阶段 226

6.6.3分离第三阶段 228

6.7结构的弹性变形对载荷的影响 228

6.7.1逃逸塔弹性变形干扰 228

6.7.2栅格翼弹性变形的干扰 245

第7章 逃逸飞行器分离动力学模型 266

7.1引言 266

7.2有塔逃逸飞行器动力学基本方程 266

7.2.1质心运动方程 266

7.2.2刚体转动方程 270

7.3无塔逃逸飞行器动力学基本方程 274

7.3.1运动微分方程矢量式 274

7.3.2运动微分方程标量式 274

7.4返回舱与逃逸飞行器相独立时的动力学基本方程 276

7.4.1逃逸飞行器运动分析 277

7.4.2返回舱运动分析 278

7.5返回舱与逃逸飞行器不独立时的动力学基本方程 281

7.5.1逃逸飞行器运动微分方程 282

7.5.2相对运动微分方程 282

7.5.3返回舱相对逃逸飞行器的轴向运动 284

7.6稳定栅格翼半分离动力学基本方程 285

7.7过载分析 290

7.7.1有塔逃逸飞行器与运载火箭分离时过载分析 290

7.7.2无塔逃逸飞行器与运载火箭分离时过载分析 292

7.7.3第二次分离时火工推杆工作阶段过载分析 292

7.7.4第二次分离中返回舱与逃逸飞行器独立后过载分析 293

第8章 逃逸飞行器分离碰撞动力学模型 294

8.1引言 294

8.2分离体外碰撞模型 294

8.2.1模型图 294

8.2.2坐标关系 295

8.2.3Q1点与故障球面的相对距离 301

8.3分离体内碰撞模型 302

8.3.1二体相对运动模型与坐标关系 302

8.3.2逃逸飞行器与返回舱的相对关系 302

8.3.3相关点的坐标 303

8.3.4确定返回舱上可能的碰撞点Q2 305

8.4碰撞边界的界定 318

8.4.1对应内碰撞模型 318

8.4.2对应外碰撞模型 319

8.5 碰撞动力学基本定律 320

8.5.1碰撞定理的矢量式 320

8.5.2碰撞定理的标量形式 322

8.6碰撞对分离的影响 326

8.6.1对运动的影响 326

8.6.2对载荷的影响 327

第9章 轨道航天器对接与分离动力学模型 329

9.1引言 329

9.2 轨道坐标系及轨道参数 329

9.2.1基本轨道坐标系 329

9.2.2轨道参数 332

9.3轨道运动学基本方程 333

9.3.1椭圆轨道 333

9.3.2圆轨道 334

9.4姿态动力学基本方程 334

9.4.1角动量/动量矩 334

9.4.2动量矩定理 335

9.4.3欧拉方程式 336

9.5航天器实现对接的基本条件和一般规律 337

9.5.1交会过程概述 337

9.5.2交会对接的几个主要阶段 338

9.5.3对接操作相关问题 346

9.6航天器在轨分离问题 350

9.6.1航天器分离过程概述 350

9.6.2航天器分离走廊 351

9.6.3航天器分离安全性 352

9.7航天器碰撞动力学 353

9.7.1接触时的动量交换 353

9.7.2冲击衰减动力学 355

9.8航天器交会对接与分离中的碰撞规避 358

9.8.1降低对接冲击的措施 358

9.8.2航天器交会对接中碰撞规避 359

9.8.3轨道摄动对交会对接的影响 360

9.8.4由航天器系统导致的轨迹偏差 366

9.8.5针对轨迹偏差的保护策略 367

9.8.6交会对接中的碰撞规避机动 373

9.8.7航天器分离中的碰撞规避机动 376

第10章 分离过程仿真 377

10.1引言 377

10.2结构化程序设计的基本思想与基本准则 377

10.2.1模块与结构 377

10.2.2模块之间的关系 378

10.2.3程序模块化结构设计的设计准则 381

10.3逃逸飞行器分离仿真任务设计 382

10.3.1分离仿真总体结构 382

10.3.2主要变量名说明 383

10.3.3分离仿真子结构模块图 383

10.4逃逸飞行器分离仿真流程 388

10.5逃逸分离过程的中断与处理 396

10.5.1分离程序 396

10.5.2分离中可能出现的故障 396

10.5.3故障报警与仿真中断 398

10.6逃逸飞行器分离过程仿真 398

10.6.1控制发动机推力对返回与逃逸飞行器分离的影响 398

10.6.2仿真计算的主要结果与分析讨论 402

10.7整流罩刚体分离仿真 403

10.7.1仿真模型 403

10.7.2仿真参数设置 406

10.7.3仿真结果分析 406

10.8 整流罩弹性体分离仿真 408

10.8.1整流罩结构模态分析 408

10.8.2整流罩振动对分离运动影响分析 408

10.8.3分离碰撞分析 411

10.9星箭分离仿真 412

10.9.1分离纵向推力影响分析 413

10.9.2 姿态扰动对分离过程影响分析 414

10.10轨道航天器对接与分离仿真 415

10.10.1软对接仿真 415

10.10.2 航天器在轨分离仿真 416

附录 419

A火箭运动的矢量方程一般式 419

B变质量刚体动力学普遍定理 420

主要参考文献 451

索引 455