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重复使用运载器GNC系统虚拟样机设计

作　者: 张宝恒
导　师: 唐硕
学　校: 西北工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 重复使用运载器 虚拟样机 仿真建模 制导导航与控制
分类号: V447
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


随着人类航天事业的不断发展,人类在外层空间环境里的活动的日益频繁,一种经济可靠、灵活方便的往返于天地之间的运载器已成为迫切的需求。新一代的航天运载器应该是可重复使用的,这不仅是像航天飞机的轨道器那样可重复使用,而且是整个发射组件的最大化可重复使用。为了抢先迈出这重要的一步,几个航天大国都在加紧制定或研制自己的新一代的航天运输系统。本文所要描述的就是这样一种目前正被看好的新一代的航天运输系统一重复使用运载器,或简称RLV(Reusable Launch Vehicle)。 针对RLV的两级入轨的特点,本文主要讨论了其各飞行段的制导、导航与控制系统的初步设计,根据已有的航天飞机的经验,给出了RLV在其各飞行段内的制导、导航与控制系统的初步的总体模型。为了在设计初期验证系统的各种实现和配置方案,本文利用虚拟样机技术,并基于VPM(Virtual PrototypeModeling)平台建立起了各飞行段的制导、导航与控制系统虚拟样机仿真模型。另外本文也建立起了RLV在轨段运动的虚拟样机仿真模型。研究内容主要包括: 1) RLV的在轨段运动虚拟样机设计,包括轨道动力学、运动学和姿态的动力学、运动学虚拟样机仿真模型的建立,以及地球扁率摄动、大气摄动、光压摄动及三体摄动等摄动模型和引力梯度等姿态扰动模型的建立。轨道相关计算还包括星下点、地面覆盖等计算模型的建立。 2) RLV的制导、导航与控制系统设计,包括系统的总体框架模型的建立,导航系统设备的虚拟样机模型的建立,各飞行段的制导系统虚拟样机模型的建立,控制系统模型的建立以及执行机构包括轨道机动系统和反作用控制系统的虚拟样机模型的建立。 RLV的制导、导航与控制系统和在轨段运动模型是复杂的,本文在建立相关的虚拟样机仿真模型时,充分的考虑了系统的可扩展性,利用VPM平台所提供的机制,不但搭起了系统的框架模型,而且为具体算法的实现留下了相关的接口,从而为整个系统模型粒度的进一步细化打下了一定的基础。

全文目录


第一章 绪论  7-11
  1．1 论文研究的背景  7-8
  1．2 论文研究的意义  8-9
  1．3 论文研究的主要内容  9-11
第二章 VPM平台简介  11-14
  2．1 VPM平台概述  11
  2．2 VPM平台使用  11-13
  2．3 三维数据可视化工具  13-14
第三章 RLV在轨段运动虚拟样机设计  14-48
  3．1 坐标系定义及其转换  14-15
  3．2 轨道运动学  15-16
  3．3 轨道摄动  16-21
    3．3．1 地球扁率摄动  17-18
    3．3．2 大气摄动  18
    3．3．3 太阳光压摄动  18-19
    3．3．4 第三体摄动  19-21
  3．4 轨道的机动和转移  21-27
    3．4．1 轨道转移  22-24
    3．4．2 轨道保持和调整  24-25
    3．4．3 轨道改变  25-27
  3．5 轨道运动的相关计算问题  27-29
    3．5．1 星下点轨迹  27
    3．5．2 地面覆盖  27-28
    3．5．3 位置速度矢量与轨道要素间的转换  28-29
  3．6 姿态描述  29-32
    3．6．1 欧拉角  29-30
    3．6．2 方向余弦  30
    3．6．3 四元数  30-31
    3．6．4 欧拉轴/角  31
    3．6．5 各姿态表达法之间的转换  31-32
  3．7 姿态动力学  32-33
  3．8 姿态运动学  33
  3．9 姿态扰动  33-34
    3．9．1 引力梯度力矩  33-34
    3．9．2 气动力矩  34
    3．9．3 磁力矩  34
  3．10 在轨段运动建模  34-38
    3．10．1 轨道运动学建模  35-36
    3．10．2 姿态运动学建模  36-38
  3．11 一些有用的程序包  38-42
  3．12 仿真结果  42-48
第四章 重复使用运载器 GNC系统虚拟样机设计  48-91
  4．1 GNC系统概述  48-57
    4．1．1 GNC系统的功能  48-50
    4．1．2 重复使用运载器 GNC系统的特点  50-51
    4．1．3 GNC系统的组成  51-57
  4．2 GNC系统总体框架  57-61
    4．2．1 上升段GNC系统  59-60
    4．2．2 在轨段GNC系统  60
    4．2．3 返回段GNC系统  60-61
  4．3 GNC系统的相关数学模型  61-75
    4．3．1 导航子部件的相关数学模型  61-64
    4．3．2 大气计算模型  64-65
    4．3．3 空气舵建模  65-66
    4．3．4 OMS建模  66-68
    4．3．5 RCS建模  68-75
  4．4 GNC系统建模  75-84
    4．4．1 上升段GNC系统建模  75-78
    4．4．2 在轨段GNC系统建模  78-82
    4．4．3 返回段GNC系统建模  82-84
  4．5 再入轨道过程及仿真  84-91
第五章 总结  91-93
参考文献  93-95
攻读学位期间发表的论文及获奖情况  95-96
致谢  96-97

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 科学探索设备与仪器
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