空间飞行器设计-第7讲.ppt

第 7 讲 火箭在实际飞行中，常受到来自运载火箭本身和外部环境的各种干扰力和干扰力矩的的影响而偏离预定的飞行状态。 来自火箭本身的有:由于箭体结构制造偏差造成的结构不对称，结构轴线偏移和质心偏移，发动机制造和安装偏差造成的推力轴线偏斜，多台发动机工作不同步，液体推进剂在贮箱内晃动，控制设备制造误差引发的干扰力和干扰力矩。 来自外部环境的干扰和干扰力矩主要是风的影响. 7.1 火箭控制系统的功能和组成 运载火箭的控制系统是运载火箭的重要组成部分, 堪称运载火箭的“心脏”。主要包括导航系统（对导弹叫制导系统）、姿态控制系统、电源配电系统和测试检查发射控制系统。 其中，前三项为箭上系统，总称飞行控制系统；后一项为地面系统，称测试发射控制系统。 式中， ——为关机时刻； V，a ——分别为关机时刻速度和位置，在惯性坐标系中各有三个分量Vx, Vy, Vz ；x, y, z ； 制导系统需随时测出飞行器的及时参数，如姿态角、航向、速度、位置等。 根据测取上述导航参数的物理原理及技术的不同，形成了惯性制导系统、无线电制导系统、天文制导系统、卫星制导系统等。 星体跟踪器 GPS特点： “多星、高轨、高频、测时-测距”体制，高精度原子钟为核心。 1）全球覆盖连续导航定位。24颗卫星，合理分布在6个等距轨道面内，轨道高达20,200km，轨道倾角55o。 2）高精度三维定位。 3）实时导航定位。1s即可完成一次定位。 4）被动式全天候导航定位。 5）抗干扰性能好、保密性强。特殊编码（伪噪声码）技术。 6）采用GPS载波相位测量技术，可用于航天器姿态测量。 运载火箭的姿态控制系统： 陀螺技术的摇篮 益智玩具：竹蜻蜓、抖空竹、陀螺等。 体育运动中的铁饼、香蕉球、弧圈球等，利用了陀螺(gyroscope)特性。 地球就是一个陀螺！ 地球可近似地视作一个转动的球体，其运动较复杂，但其中最主要的运动是地球的自转，其转动角速度矢量沿地心到北极点的地轴方向， 此外，地球还有进动、章动和其他移动。但这些附加运动的角速度远小于 ，数量在10-10以下。 傅科(Jean-Bernard-Léon Foucault , 1819—1868 )于1852年设计了陀螺模型，再次证明地球的自转并有力地支持了哥白尼([Poland],1473-1543)日心说(《天体运行论》). 陀螺仪的定轴性和进动性 双自由度陀螺： 由陀螺转子、内环和外环组成。内环以外环为支撑，两者组成万向支架，用以支持转子，并通过轴承在y轴铰接在壳体（机体结构）上，这样，陀螺具有两个自由度。且具有两个特性，即陀螺转子的进动性和陀螺轴的方向稳定性（定轴性）。 陀螺仪的定轴性orientation stability： 当转子以?角速度旋转时，略去转轴摩擦力和空气阻力，转子轴z具有在空间保持方向不变的特性。 陀螺仪的进动性(precession) 当陀螺转子以高速转动的同时，在转子轴上作用铅垂力P，如下图所示，在外力矩 （M=Pl）作用下，转子轴并不按外力矩方向运动，而是在其组成的平面 内、绕其垂轴y运动。即，转子轴必定以某一角速度? 绕y轴转动，进动方向用 表示。 忽略第一、三项后，可近似得 惯性仪表是火箭制导和姿态控制的重要设备，用以测量火箭在设定坐标系内的运动参数。 主要包括： 位置陀螺仪：用以测量姿态角。 速率陀螺仪：用以测火箭姿态角的变化速率。 加速度表：用以测量飞行器相对于惯性空间的线加速度，据坐标系又分为纵向表（测纵向OX1轴加速度）、法向表（OY1轴）和横向表（OZ1轴）。 法国国葬院内的傅科摆 (Nicholas Copernicus, 1473～1543 ) 陀螺 (a)单度陀螺 (b)双度陀螺 内环 y z x 内环 外环 y z x ? ? 陀螺的定轴性 orientation stability 陀螺的进动性 precession 单自由度陀螺: 内环直接通过一对轴承铰接在机体结构上，使陀螺转子轴只有一个方向运动的自由度。且只具有进动性而不具定轴性。 可以由“动量矩定理”加以论证 ： 为物体对z轴的动量矩 ——物体对z轴的角速度向量 ——作用于物体上合力矩向量 Jz——物体对z轴的转动惯量 绕y轴的力矩方程为： * * 火箭控制系统 控制系统功能：