Введение в механику полета и управление космическими аппаратами
Покупка
Тематика:
Космический транспорт
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 568
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-7038-5276-7
Артикул: 767702.02.99
Доступ онлайн
3 700 ₽
В корзину
Представлены основные сведения о технологическом цикле космических полетов, даны примеры практических задач, решаемых в процессе предварительного проектирования и управления полетом космических аппаратов и их группировок.
Для студентов, обучающихся по специальностям, связанным с управлением движением космических аппаратов; также может представлять интерес для специалистов в области проектирования космических полетов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Специалитет
- 24.05.06: Системы управления летательными аппаратами
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Управление в технических системах
Е.А. Микрин, Ф.В. Звягин Введение в механику полета и управление космическими аппаратами Учебник для вузов
УДК 629.78 ББК 39.6 М59 Рецензенты: Научный руководитель ФГУП «ЦАГИ», д-р физ.-мат. наук, академик РАН С.Л. Чернышев; Начальник отдела ФГНУ «Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики», д-р техн. наук, профессор, чл.-корр. РАН В.Г. Петухов Микрин, Е. А. М59 Введение в механику полета и управление космическими аппара тами : учебник для вузов / Е. А. Микрин, Ф. В. Звягин. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 566, [2] с. : ил. ISBN 978-5-7038-5276-7 Представлены основные сведения о технологическом цикле космических по летов, даны примеры практических задач, решаемых в процессе предварительного проектирования и управления полетом космических аппаратов и их группировок. Для студентов, обучающихся по специальностям, связанным с управлением движением космических аппаратов; также может представлять интерес для специалистов в области проектирования космических полетов. УДК 629.78 ББК 39.6 © Микрин Е.А., Звягин Ф.В., 2020 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-5276-7 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
Предисловие Настоящий учебник представляет собой вводный курс механики космического полета и управления космическими аппаратами, изучаемый в рамках специализаций специальности 24.05.06 «Системы автоматического управления» в течение нескольких семестров. Цель изучения представленного материала — освоение системы об щих принципов, положений и методов проектирования космических полетов и управления космическими аппаратами в процессе осуществления космических полетов. После изучения учебника студенты овладеют: • базовыми знаниями законов механики космического полета; • базовыми методами анализа, проектирования и управления космиче скими полетами; • практическими навыками предварительного проектирования и управ ления космическими полетами. Планируемые результаты обучения Дисциплины, в которых используется данный учебник в качестве основ ного дидактического материала, построены по модульному принципу. Каждый модуль представляет собой логически завершенный раздел курса. Для каждого модуля приведен набор планируемых результатов обучения, заданных программой дисциплины. Достижение этих результатов оценивается при текущем контроле усвоения дисциплины. Для изучения материала учебника необходимо предварительное освоение следующих дисциплин: иностранный язык; математический анализ; интегралы и дифференциальные уравнения; линейная алгебра и функции многих переменных; информатика; физика; теоретическая механика. Методика проработки и освоения материала модулей дисциплин Изучение дисциплин, входящих в учебный план специальности, пред усматривает достижение ряда результатов обучения, т. е. те знания (помнить и понимать), умения (применять, анализировать, оценивать, создавать) и навыки, которыми студенты должны овладеть в процессе освоения дисциплины. Планируемые результаты обучения сформулированы в программе дисци плины. Достижение каждого результата оценивается при текущем или промежуточном контроле. Лекционные занятия посвящены рассмотрению ключевых, базовых по ложений курса и разъяснению учебных заданий, предназначенных для самостоятельной проработки. Семинарские занятия проводятся для закрепления усвоенной информа ции, приобретения навыков ее применения для решения практических задач в предметной области дисциплины.
Большое число расчетных примеров, а также приложения, приведенные в данном учебнике, облегчают усвоение материала и позволяют обучающимся самостоятельно выполнять учебные задания. Самостоятельная работа студентов включает в себя проработку лек ционного курса, выполнение домашних заданий, подготовку рефератов и пр. Результаты работы студентов формируются в виде их личных портфолио, которые учитываются на промежуточной аттестации. Предусматривается также расширение материала учебника в результате поиска, анализа, структурирования и представления в компактном виде современной информации из всех возможных источников. Для этого в начале каждого раздела учебника приведено краткое описание обсуждаемых тем, по которым обучающийся может сформировать представление о содержании раздела и дополнительно его проработать, обратившись к различным доступным ему источникам информации. Каждый раздел учебника завершается списком контрольных заданий, ко торые необходимо проработать самостоятельно, учитывая, что аналогичные задания будут предложены при текущем контроле усвоения каждого модуля дисциплины. Иx следует выполнять строго по графику учебной работы, обсуждая результаты на семинарах и консультациях. Текущий контроль проводится в течение каждого модуля, его итоговые результаты складываются из оценок домашних заданий, рефератов, контрольных работ, работы на лекциях и семинарах. Для завершения работы в семестре студент должен выполнить все кон трольные мероприятия, иметь полный комплект подготовленных домашних заданий и рефератов. Промежуточная аттестация по дисциплинам основана на результатах текущего контроля, а также включает в себя дополнительное контрольное мероприятие. Оно служит для оценки владения студентом ключевыми, базовыми положениями предметной области, умением их применять, проводить оценку, анализировать и решать проектные задачи. Освоение дисциплины, ее успешное завершение на стадии промежуточ ного контроля (экзамена) возможно только при регулярной работе во время семестра и планомерном прохождении текущего контроля. Создать портфолио по модулям в каждом семестре, пройти по каждому модулю плановые контрольные мероприятия в течение экзаменационной сессии невозможно. Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам книги — научному руководителю ФГУП «ЦАГИ» д-ру физ.-мат. наук, академику РАН С.Л. Чернышеву и д-ру техн. наук, профессору, чл.-корр. РАН В.Г. Петухову за внимательное прочтение учебника, а также сделанные ими весьма точные и полезные предложения по улучшению структуры и содержания изложенного материала. Замечания и предложения присылать в Издательство МГТУ им. Н.Э. Бау мана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1. Предисловие
Основные сокращения и обозначения АГСК — абсолютная геоцентрическая система координат (СК) БП — биэллиптический перелет ГИСК — геоцентрическая инерциальная СК ГСК — гринвичская СК ГСО — геостационарная орбита ГЭСК — геоцентрическая экваториальная СК ИХП — интегральный характеристический показатель КА — космический аппарат МСК — Международная космическая станция НОО — низкая круговая орбита ожидания ПН — полезная нагрузка СА — спускаемый аппарат СК — система координат ТДУ — тормозная двигательная установка FΣ — вектор равнодействующей сил ut, un, ub — единичные векторы, определяющие оси координат в оскулирующей плоскости J — истинная аномалия MOΣ — момент силы FΣ относительно центра системы координат О rp — радиус перицентра RE = 6378 км — экваториальный радиус Земли G = 6,6742 ⋅ 10–11 м3/кг ⋅ с2 — универсальная гравитационная постоянная wE = 72,9217 ⋅ 10–6 рад/с — угловая скорость собственного вращения Земли в инерциальной системе координат a(t) — вектор ускорения e — вектор эксцентриситета орбиты e — эксцентриситет орбиты g — ускорение свободного падения G — центр масс системы тел g0 = 9,807 м/с2 — ускорение свободного падения на уровне моря h — удельный угловой момент I — импульс силы i, j, k — единичные орты осей системы координат x, y, z I, J, K — единичные орты осей системы координат X, Y, Z p — фокальный параметр орбиты r(t) — вектор положения T — период обращения v(t) — вектор скорости W — вес X, Y, Z — оси абсолютной (неподвижной) системы координат x, y, z — оси подвижной системы координат z — высота над поверхностью Земли
α — угловое ускорение γ — траекторный угол ^ — точка весеннего равноденствия ε — удельная энергия орбиты μ — гравитационный параметр μE = 398 600 км3/с2 — гравитационный параметр Земли ρ — радиус кривизны Ω — вектор абсолютной угловой скорости ω — вектор угловой скорости Е — полная механическая энергия космического аппарата НО — угловой момент относительно точки О a — большая полуось конического сечения b — малая полуось конического сечения vпар — параболическая (освобождения) скорость b — угол наклона ветвей асимптот гиперболической траектории δ — угол между асимптотами гиперболы, угол поворота Δ — направленный радиус v∞ — скорость тела, движущегося по гиперболической траектории на бесконечном удалении p, q, w — единичные векторы перифокальной системы координат f, g — функции Лагранжа t — время Me — средняя аномалия n — среднее движение E — эксцентрическая аномалия Mh — параболическая средняя аномалия Jn — функции Бесселя первого рода Mh — гиперболическая средняя аномалия F — гиперболическая эксцентрическая аномалия χ — универсальная аномалия α — универсальная большая полуось, угловое ускорение С(z), S(z) — функции Штумпфа α, RA — прямое восхождение δ, dec — склонение i — наклонение орбиты Ω — долгота восходящего узла ω — аргумент перицентра N — вектор положения линии узлов Q — матрица направляющих косинусов Ri(f) — матрица вращения на угол f относительно оси i QXx — матрица перехода от перифокальной системы координат к геоцентрической экваториальной системе координат J2 — вторая зональная гармоника Ω — средняя скорость прецессии линии узлов Основные сокращения и обозначения
ω — средняя скорость изменения аргумента перицентра J0 — юлианская дата при 0 ч мирового времени UT JD — юлианская дата J2000 — начало юлианской эпохи, отсчитываемой с полудня 1 января 2000 г. θG0 — звездное время гринвичского меридиана для 0 ч UT UT — мировое (всемирное) время Rр — полярный радиус ϕ — геодезическая широта f′ — геоцентрическая широта Λ — долгота А — азимут а — угол места Dv — потребный импульс скорости DvΣ — суммарная характеристическая скорость маневра Isp — удельный импульс ракетного топлива Φij(t) — матрицы Клохесси — Уилтшира Ur — потенциал ньютоновского (центрального) поля тяготения g — разностное гравитационное ускорение в центральном поле тяготения (приливное ускорение) l, m, n — орты осей орбитальной системы координат α, β, γ — углы поворота осей визирной системы координат относительно осей орбитальной системы координат φ — фазовый угол между векторами положений двух планет rвл — радиус сферы влияния планеты T — вектор тяги D — аэродинамическая сила сопротивления с — эффективная скорость истечения топлива qвх — угол входа в атмосферу r(h) — распределение плотности атмосферы по высоте K — аэродинамическое качество спускаемого аппарата Сх — коэффициент силы лобового сопротивления Cy = KCx — коэффициент аэродинамической подъемной силы спускаемого аппарата Sm — площадь миделя спускаемого аппарата sX — баллистический параметр S — баллистический коэффициент nx, ny — продольные составляющие вектора перегрузки Li — i-я точка либрации WS+, WS– — устойчивые многообразия точки либрации WU+, WU– — неустойчивые многообразия точки либрации Γ x y z x y z , , , , , ( ) — функция Якоби Γto i — интегральный характеристический показатель i-й орбиты Основные сокращения и обозначения
Введение В настоящее время существует довольно много работ, посвященных динамике полета и управлению космическими аппаратами (КА). Не стремясь к созданию совершенно нового и всеобъемлющего труда, авторы тем не менее поставили перед собой задачу собрать максимальное число методов, алгоритмов и примеров решения задач, которые могут возникать в повседневной практике предварительного проектирования космического полета. Что же подразумевается под такой постановкой задачи и почему потребовалась еще одна публикация? Исторически сложилось так, что наиболее передовые и точные матема тические методы применялись для исследования задач небесной механики. Сначала для обработки астрономических наблюдений, что носило скорее чисто научный интерес, а позже, с началом полетов в космос, эти методы стали применять для практических исследований. При этом математический аппарат описания динамики полета естественных и искусственных небесных тел усложнялся, уточнялся и расширялся, что делало его, к сожалению, все менее понятным даже для студентов старших курсов технических вузов. Особенности процесса обучения специалистов в области управления летательными аппаратами, для которых в первую очередь и написан данный учебник, заключаются в том, что они получают на первых курсах достаточно обширные сведения по физике, высшей математике, теоретической механике и другим предметам. При этом зачастую сведения из одной области науки используются для решения задач из другой области чисто технически, без вникания в их физический смысл. Последующее обучение направлено на то, чтобы научить будущих специалистов комплексному использованию всех полученных ими знаний для решения управленческих задач с ориентацией в первую очередь на их физическую реализуемость. Совершенно очевидно, что такие задачи, хотя бы на первых этапах, должны быть максимально понятны и осознаваемы. Следует отметить, что задачи управления КА вследствие своей специфики относятся именно к задачам такого типа. Детализация расчетов в них до известной степени достаточно высокая, начиная с простейших аналитических соотношений вплоть до многомерных рядов с дальнейшим углублением в область хаотической динамики. Традиционное изложение материала классических учебников строится на описании наблюдений, приведших к открытию законов всемирного тяготения, законов Кеплера, выводу уравнений относительного движения КА с дальнейшим описанием его возмущенного движения. В том или ином виде такой материал присутствует и в данном учебнике. Существенным отличием, с точки зрения авторов, является то, что помимо общетеоретических сведений рассмотрено большое число примеров и задач, закрепляющих эти сведения, а наиболее важные с практической точки зрения задачи оформлены в виде алгоритмов, которые легко могут быть запрограммированы в любом математическом пакете. Именно поэтому их реализация на конкретном языке программирования не приводится.
Доступ онлайн
3 700 ₽
В корзину