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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ML174

6.2.8附加科氏力Fk180

6.2.9 附加科氏力矩Mk181

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Q2305

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