第六章航天器轨道摄动

第一章 思考题1.什么是航空？什么是航天？航空与航天有何联系？2.飞行器是如何分类的？3.航空器是怎样分类的？各类航空器又如何细分？4.航天器是怎样分类的？各类航天器又如何细分？5.火箭和导弹有哪些相同和不同之处？6.要使飞机能够成功飞行，必须解决什么问题？7.战斗机是如何分代的？各代战斗机的典型技术特征是什么？8.直升机主要以什么技术标准进行分代？9.载人航天的工具或方式有哪几种？它们之间有什么区别？10.巡航导弹和弹道导弹有什么不同？11.航空航天在国防和国民经济中占有什么样的地位？发挥什么样的作用？12.新中国成立以来，我国的航空工业取得了哪些重大成就？13.什么是“两弹一星”？14.我国的运载火箭共有几个系列？多少个型号？各自有什么用途？15.熟悉航空器、航天器、火箭和导弹发展史上的第一次和重大历史事件发生的时间和地点。

16.通过阅读教材中的航天航天技术现状和未来的发展趋势，谈谈你对未来我国航空航天技术发展途径的看法。

第二章 思考题1.大气分几层？各层有什么特点？2.什么是国际标准大气？3.大气的状态参数有哪些？4.什么是大气的粘性？5.何谓声速和马赫数？6.什么是飞机相对运动原理？7.什么是流体的连续性定理和伯努利方程？它们所代表的物理意义是什么？8.低俗气流和超声速气流的流动特点有何不同？9.拉瓦尔喷管中的气流流动特点是什么？10.平板上的空气动力是怎样产生的？11.什么是翼型？什么是迎角？12.升力是怎样产生的？它和迎角有何关系？13.影响升力的因素有哪些？14.简述飞机增升装置的种类和增升原理。

15.飞机在飞行过程中会产生哪些阻力？试说明低速飞机各种阻力的影响因素及减阻措施。

16.为了保证风洞试验结果尽可能与飞行实际情况相符，必须保证飞机和模型之间的哪几个相似？17.什么是雷诺数？18.风洞试验有何作用？19.什么是激波？超声速气流流过正激波时，流动参数有哪些变化？20.什么是正激波和斜激波？二者在流动上有何区别？21.什么是临界马赫数？22.什么是局部激波？23.飞机的动态布局式有哪些？24.机翼的几何参数有哪些？25.试简述超声速飞机的外形特点？如何减小超声速飞机的激波阻力？26.试简述后掠机翼、三角形机翼、小展弦比机翼、变后掠机翼、边条机翼、“鸭”式布局和无尾式布局等飞机各有什么特点？27.低速飞机和超声速飞机在外型上有何区别？28.什么是超声速飞机的声爆和热障？如何消除热障？29.飞机的飞行性能包括哪些指标？30.什么是最小平飞速度？什么是最大平飞速度？什么是巡航速度？31.什么是静升限？32.衡量飞机起飞着陆性能的指标有哪些？如何提高飞机的起飞着陆性能？33.什么是飞机的机动性？什么是飞机的过载？34.什么是飞机的稳定性？飞机包括哪几个方向上的稳定性？35.影响飞机纵向稳定性的因素有哪些？影响飞机横向稳定性的因素有哪些？影响飞机方向稳定性的因素有哪些？36.什么是飞机的操纵性？驾驶员是如何操纵飞机的俯仰、偏航和滚转运动的？37.直升机有何特点？38.试说明直升机旋翼的工作原理。

航天器飞行力学试卷及答案一、名词解释（20分）1、平太阳2、过载3、二体轨道4、轨道摄动5、星下点6、太阳同步轨道7、逆行轨道8、轨道机动9、弹道再入10、配平攻角二、简述（20分）1、直接反作用原理2、刚化原理3、瞬时平衡假设4、开普勒三大定律三、简答题（40分）1、变质量系统在运动时受哪些力和力矩作用？写出各自的计算公式。

2、火箭姿态控制系统的功能、组成？并画出控制系统原理框图、写出控制方程。

3、研究自由飞行段的运动时，常作哪些基本假设？自由飞行段的运动有哪些基本特征？4、轨道要素有哪些，其意义和作用是什么？5、卫星轨道的摄动因素有那些？6、Hohmann轨道机动的特征速度的确定方法？7、说明运用状态转移矩阵的双脉冲轨道机动的过程？并写出特征速度的求解方法。

8、再入段的运动有什么特点？四、推导题（20分）1、推导变质量质点基本方程（密歇尔斯基方程）2、推导近距离相对运动C-W方程参考答案一、名词解释（20分，每题2分）1、平太阳：设想一个假太阳，它和真太阳一样以相同的周期和运行方向绕地球作相对运动。

但有两点不同：（1）它的运动平面是赤道面而不是黄道面；（2）它的运行速度是真太阳的平均速度。

这个假太阳就是平太阳。

2、过载：把火箭飞行中除重力以外作用在火箭上的所有其他外力称作过载。

3、二体轨道：在卫星轨道的分析问题中，常假定卫星在地球中心引力场中运动，忽略其他各种摄动力的因素（如地球形状非球形、密度分布不均匀引起的摄动力和太阳、月球的引力等）。

这种卫星轨道称为二体轨道。

4、轨道摄动：航天器的实际运动相对于理想轨道（即Kepler 轨道）运动的偏差称为轨道摄动。

5、星下点：就是卫星位置矢量与地球表面的交点。

6、太阳同步轨道：如选择轨道半长轴和倾角使得，则轨道进动方向和速率与地球绕太阳周年转动的方向和速率相同，此特定设计的轨道称为太阳同步轨道。

0.9856/d ΔΩ=D 7、逆行轨道：如轨道倾角，则90i >D 0Ω> ，为东进轨道，又称为逆行轨道。

人教版高中物理必修二：第六章 6.5 宇宙航行(含解析）一、单选题1．图示是某一卫星运行的轨道示意图,卫星先沿椭圆轨道1运行,近地点为M,远地点为N。

当卫星经过N 时点火加速,使卫星由椭圆轨道1转移到圆轨道2上运行。

关于卫星的运行过程,下列说法中正确的是（）A．卫星在轨道1和轨道2上运动时的机械能相等B．卫星在轨道1上运行经过N点的加速度大于在轨道2上运行经过N点的加速度C．卫星在轨道1上运行经过N点的加速度小于在轨道2上运行经过N点的加速度D．卫星在轨道1上运行经过N点的速度小于经过M点的速度【答案】D2．以下说法中正确的是（）A．利用洗衣机能把衣服甩干，是因为衣服中的水受到离心力而做离心运动B．开普勒总结出了行星运行的规律，发现万有引力定律C．所有绕地球做匀速圆周运动的卫星的圆心一定和地心重合D．绕地球做圆周运动周期是24h的卫星一定是同步卫星【答案】C3．2018年12月12日，“嫦娥四号”探测器经过约110h奔月飞行，到达月球附近，成功实施近月制动，顺利完成太空刹车”，被月球捕获，进入了近月点100千米，远月点400千米的环月椭园轨道。

关于“嫦娥四号”在此环月轨道上运行时的说法正确的是（）A．线速度不变B．角速度不变C．向心加速变不变D．运行周期不变【答案】D。

4．已知地球的第一宇宙速度为7．9km/s,第二宇宙速度为11．2km/s,下列叙述不正确的是( ) A．第一宇宙速度是物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度B．第一宇宙速度是成为地球卫星的最小发射速度C．所有地球卫星环绕地球的运行速度介于7．9km/s和11．2km/s之间D．宇宙速度是相对于地心,而不是相对地面【答案】C5．2018年12月8日2时23分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射嫦娥四号探测器，开启了月球探测的新旅程。

嫦娥四号探测器经过地月转移、近月制动等一系列过程于2018年12月30日8时55分，顺利进入近月点高度约15km、远月点高度约100km的环月椭圆轨道。

第九章卫星轨道的调整与转移9.1 概述9.1.1 航天器的轨道机动航天器在中心引力场中的运动，即Kepler轨道运动及在非理想条件下航天器的摄动运动，都属于被动运动，即在初始条件给定后完全由环境条件决定的运动。

但是现代航天器的运动并不是完全被动的。

有时航天器要利用火箭发动机推力或者有意利用环境提供的力（例如空气动力、太阳光压力）主动地改变飞行轨道，这就是航天器的主动运动，称为轨道机动(orbit maneuver)。

航天器的轨道机动可以人为地分成以下三个类型（但这些并没有绝对的界限，而且没有实质的差别）：（1）轨道保持或轨道调整(orbit keeping or orbit correction)。

这是为了克服轨道要素的偏差而进行的小冲量的调整。

可以利用轨道摄动方程进行分析。

（2）轨道改变或轨道转移(orbit change or orbit transfer)：这是指大幅度改变轨道要素，例如从低轨道转移到高轨道，从椭圆轨道转移到圆轨道，改变轨道平面。

这种转移的特点是需要大冲量的火箭发动机。

（3）空间交会(space rendezvous)：即主动航天器通过一系列的机动动作达到与被动航天器会合。

这里主要控制航天器的相对运动。

按照持续时间，航天器轨道机动可以分为：（1）脉冲式机动：发动机在非常短暂的时间内产生推力，使航天器获得脉冲速度。

分析时可以认为速度变化是在一瞬间完全成的，当然这是对实际问题的抽象化。

（2）连续式机动：在持续的一段时间内依靠小的作用力改变轨道。

例如利用电离子火箭发动机、利用空气动力、太阳光压力等进行的机动。

9.1.2 轨道机动所需的推进剂消耗为了实现任何一种轨道机动，都必须使航天器获得附加的速度矢量。

排除利用235空气动力和太阳压力等特殊方式外，为此必须开动某种形式的火箭发动机。

对于仅在火箭发动机推力作用下的飞行器，运动方程为dvmP dt= (dmP w dt =−式中 为飞行器质量，m /dm dt −为推进剂消耗率，w 为燃烧产物的有效排出速度。

●规律总结有关人造卫星的知识,根本问题就是抓住万有引力提供人造地球卫星做圆周运动的向心力这一基本力学关系,由此出发导出描述卫星做圆周运动的各物理量的关系式,应用时可根据实际情况选用适当的公式进行分析和计算:①F 万有=2r GMm =ma =r m v 2=mr ω2=mv ω=mr 22π4T②在地球表面,mg ≈2RGMm 1.对宇宙速度的理解①第一宇宙速度:人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动,其轨道半径近似等于地球半径R ,其向心力为地球对卫星的万有引力,其向心加速度近似等于地面处的重力加速度.设地球质量为M ,根据万有引力定律和匀速圆周运动的规律可得: 2R GMm =R m v 2得v =R GM =624111037.61089.51067.6⨯⨯⨯⨯-m/s=7.9 km/s 或者由mg =R m v 2得v =gR =61037.68.9⨯⨯m/s=7.9 km/s.对于公式v =rGM ,指的是人造卫星在各自轨道上做匀速圆周运动的运行速度,其大小随轨道半径的增大而减小,但由于人造卫星发射过程中要克服地球引力做功,增大势能,所以将卫星发射到离地球越远的轨道上在地面上所需要的发射速度就越大.根据v 运行=r GM ,第一宇宙速度v 1=RGM 可知:由于r ≥R 地球,所以卫星的运行速度不可能大于第一宇宙速度,人造卫星的发射速度与运行速度的大小关系是:v 发射≥7.9 km/s ≥v 运行所以第一宇宙速度是最小发射速度,又是卫星最大环绕速度.②第二宇宙速度:在地面上(r =R )发射物体,使之能够脱离地球的引力作用,成为绕太阳运动的人造行星或飞到其他行星上去所必需的最小发射速度,称为第二宇宙速度,其大小为v 2=11.2 km/s.当11.2 km/s ＞v 2＞7.9 km/s 时,卫星绕地球旋转,其轨道是椭圆,地球位于一个焦点上.③第三宇宙速度:在地面上发射物体,使之最后能脱离太阳的引力范围,飞到太阳系以外的宇宙空间所必须的最小速度称为第三宇宙速度,其大小为v 3=16.7 km/s.当16.7 km/s ＞v ≥11.2 km/s 时,卫星脱离地球的束缚成为太阳系的一颗“小行星”.2.对卫星运动轨道的理解①卫星绕地球运动的轨道可以是椭圆轨道,也可以是圆形轨道,卫星绕地球沿圆形轨道运动时,由于地球对卫星的万有引力提供了卫星绕地球运动的向心力,而万有引力指向地心,所以,地心必然是卫星圆轨道的圆心,卫星的轨道平面可以在赤道平面内(如同步卫星),也可以和赤道平面垂直,还可以和赤道平面成任一角度.卫星绕地球沿椭圆轨道运行时,地心是椭圆的一个焦点,其周期和半长轴的关系遵循开普勒第三定律,这类问题在中学物理中很少讨论.②不同星体上的宇宙速度是各不相同的,以上给出的速度值是地球上的宇宙速度值,其计算方法完全可以推广到其他任何天体.天体的质量越大,半径越小,其宇宙速度值就越大.3.对同步卫星的理解同步卫星指在赤道平面内,以和地球自转角速度相同的角速度绕地球运动的卫星.同步卫星又叫静止轨道卫星,有以下几个特点:①周期一定:同步卫星在赤道上空相对地球静止,它绕地球的运动与地球自转同步,它的运动周期就等于地球自转的周期,即T =24 h.②角速度一定:同步卫星绕地球运动的角速度等于地球自转的角速度,且卫星转动的方向与地球自转方向相同.③轨道一定:a.由于同步卫星绕地球的运动与地球的自转同步,这就决定了同步卫星的轨道平面应与赤道平面平行.又由于同步卫星绕地球运动的向心力是地球对卫星的万有引力,这就决定了同步卫星做圆周运动的圆心为地心,所以,同步卫星的轨道必在赤道平面内.b.由于所有同步卫星的周期都相同,由r =322π4GMT 可知,所有同步卫星的轨道半径相同,即同步卫星都在同一轨道上绕地球做匀速圆周运动,其轨道离地面的高度h =3222π4R gT -R =3.59×104 km.(地球半径R =6400 km,自转周期T =24 h=86400 s,地球表面重力加速度g =9.8 m/s 2)④环绕速度大小一定:所有同步卫星绕地球运动的线速度的大小是一定的,都是 3.08 km/s,因为所有卫星的环绕速度等各物理量都是由轨道决定的.⑤向心加速度大小一定:所有同步卫星由于到地心距离相同,所以它们绕地球运动的向心加速度大小都相同,约为0.23 m/s 2.归根到底,同步卫星的以上特点,是由于同步卫星与地球相对静止这一特殊要求决定的.4.对人造卫星上的“超重”和“失重”问题的理解“超重”:卫星在进入轨道前的加速过程中或回收过程中,系统具有向上的加速度,卫星上的物体“超重”,这种情况与“升降机”中的物体超重相同.“失重”:卫星在进入轨道后,在正常运行过程中,系统具有向下的加速度且等于重力加速度g 轨,卫星上物体完全“失重”,因此在卫星上的仪器,凡是制造原理和重力有关的都不能正常使用.比如水银气压计、天平等,同理与重力有关的实验也将无法进行.但要注意,物体处于完全失重状态时,仍受重力作用,不能说物体不受重力.。

第六章发射与返回技术6.1运载火箭的发射技术6.1.1 运载火箭的发射过程运载火箭由相对于发射平台静止的状态起飞、加速到进入正常的导引弹道的过程称之为发射过程，简称发射。

广义的发射过程包括如下步骤：（1）为使火箭达到可发射状态，首先必须在发射场的技术区进行对接、装配和一系列的检查和测试；（2）火箭从技术区转移到发射区，然后将火箭吊装到发射台上，完成垂直度调整和方位瞄准，装定发射诸元并与各种地面设备的电缆、气、液管路等相连接；进行各分系统测试和综合测试；完成推进剂加注、充气等技术准备工作；（3）测控系统准备：对测控站各系统进行检查和测试，然后进行各测控站之间的联试，以保证发射指挥、控制系统正常、可靠地工作；（4）按预定的程序进行发射，火箭离开发射台起飞、加速、起控并进入导引弹道飞行。

若发生故障或因其它情况而取消发射，则应泄出推进剂，对贮箱进行清洗和中和处理，将火箭撤离发射台，运回技术区，重新进行检查测试并排除故障。

显然，为了完成上述发射过程的各项任务，需要建立庞大的地面设施，包括发射设备、运输设备、起吊安装设备、装配对接设备、地面检测设备、发射控制设备、测控设备、地面供电设备、推进剂的贮存和加注设备、废气与废液处理设备、发射场地和工程设施等，统称为发射支持系统。

6.1.2 运载火箭的发射方式最早运载火箭采用水平测试、水平运输、整体垂直起竖的发射方式。

后来，随着运载火箭由小到大的不断发展，发射方式也在不断变化。

目前，世界各国常用的两种发射方式如下：（1）水平测试、水平运输、垂直吊装的发射方式这种发射方式在发射场内明显地分成技术区和发射区。

在技术区对箭上各系统进行测试，然后通过公路运输车分级（或分部段）运往发射区，由发射勤务塔上的吊车将各级（或部段）垂直吊装对接在发射台上，经过必要的测试后加注推进剂，最后发射。

这种方式的优点是操作简便，对发射设备的技术要求容易实现，技术区工作环境好，测试过程完善。

运往发射区时，火箭运输时重心低，不需要大型运输平台和特殊的运输轨道。