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
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.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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 аппаратами : 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 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. 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 космическо- го полета и управления космическими аппаратами, изучаемый в рамках спе- циализаций 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 космиче- ских 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. Каж- дый модуль представляет собой логически завершенный раздел курса. Для каждого модуля приведен набор планируемых результатов обучения, заданных программой дисциплины. Достижение этих результатов оценивает- ся при текущем контроле усвоения дисциплины. Для изучения материала учебника необходимо предварительное освоение следующих дисциплин: иностранный язык; математический анализ; интегра- лы и дифференциальные уравнения; линейная алгебра и функции многих пе- ременных; 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 (пом- нить и понимать), умения (применять, анализировать, оценивать, создавать) и навыки, которыми студенты должны овладеть в процессе освоения дис- циплины. Планируемые результаты обучения сформулированы в программе дисци- плины. Достижение каждого результата оценивается при текущем или про- межуточном контроле. Лекционные занятия посвящены рассмотрению ключевых, базовых по- ложений курса и разъяснению учебных заданий, предназначенных для само- стоятельной проработки. Семинарские занятия проводятся для закрепления усвоенной информации, 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 лекционного 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, об- суждая результаты на семинарах и консультациях. Текущий контроль проводится в течение каждого модуля, его итоговые результаты складываются из оценок домашних заданий, рефератов, контроль- ных 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, базо- выми 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 портфо- лио 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 изложенно- го 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 математические 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. Особен- ности процесса обучения специалистов в области управления летательными аппаратами, для которых в первую очередь и написан данный учебник, за- ключаются 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 используют- ся 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 осознавае- мы. Следует отметить, что задачи управления КА вследствие своей специфи- ки 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 об- ласть хаотической динамики. Традиционное изложение материала классических учебников строится на описании наблюдений, приведших к открытию законов всемирного тя- готения, 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 сведе- ний рассмотрено большое число примеров и задач, закрепляющих эти све- дения, 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
В корзину