航天員-航天器耦合動力學分析

《航天員：航天器耦合動力學分析》針對對航天員與載人航天器耦合動力學問題，在綜述了國外相關研究情況的基礎上，以航天員和航天器系統為對象，較系統地討論了與航天員艙內活動相關的運動學及支力學的基本問題；建立了相關數學模型和動力學方程；分析了航天員空間活動中的基幹動力學擾動問題；分析了航天器在航天員擾動下的控制問題；提出了航天員對微重力環境擾動的控制方案建議；航天器振動對航天員影響的問題，在分析動力學模型和控制系統方案的應用演示，選用了國外的干擾力冰行實驗數據和假想的航天員方式及航天器參數作為系統輸入，對所建立的動力學模型進行了數字仿真。通過對仿真結果的分析，得出了一些對理論和工程有一定價值的參考和建議。

該書是我國首次研究航天員—航天器耦合動力學問題的專著。書中所建立的模型、方程，以及仿真分析中所涉及的對象和所引用的參數，對航天員和載人航天器均無特指。《航天員：航天器耦合動力學分析》對分析未來載人航天中的相關問題及開展有人蔘與的空間科學實驗等都有一定的參考價值。

第1章世界載人航天發展簡史1

1.1發展載人航天的意義1

1.2蘇聯及俄羅斯載人航天簡史3

1.2.1東方號飛船4

1.2.2上升號飛船7

1.2.3聯盟號系列飛船9

1.2.4進步號系列貨船18

1.2.5第一代禮炮號空間站19

1.2.6第二代禮炮號空間站21

1.2.7和平號空間站23

1.2.8蘇聯航天飛機的發展歷程29

1.2.9俄羅斯的新航天計劃30

1.3美國載人航天簡史31

1.3.1飛船的發展歷程32

1.3.2阿波羅登月工程33

1.3.3航天飛機的發展歷程37

1.3.4天空實驗室39

1.3.5國際空間站40

1.3.6美國的新航天計劃50

1.4歐洲載人航天簡史52

1.5中國載人航天發展簡述53

1.5.1載人航天工程——揚帆起航53

1.5.2從神舟-1號到神舟-4號飛船——探索前進56

1.5.3神舟-5號飛船——千年跨越63

1.5.4神舟-6號飛船——承先啓後67

參考文獻71

第2章航天員與航天器的動力學相互影響問題76

2.1引言76

2.2問題與挑戰77

2.2.1載人航天發展中提出的新問題77

2.2.2載人航天對科學技術提出的挑戰78

2.3國外研究情況簡介80

2.3.1關於分析模型82

2.3.2地面模擬實驗87

2.3.3飛機失重實驗98

2.3.4在軌飛行實驗98

2.3.5其他相關研究及實驗116

2.4國外研究結果的啓示118

2.4.1實驗數據指示119

2.4.2實驗主要結論120

2.4.3啓示121

2.5研究航天員－航天器耦合動力學的意義122

2.5.1現實意義123

2.5.2工程意義124

2.5.3理論及科學意義124

2.5.4廣泛的空間應用意義124

2.5.5對航天員艙外活動的意義125

2.5.6對實驗的指導意義125

2.5.7對確保飛行成功與安全的意義125

參考文獻126

第3章航天員－航天器耦合動力學分析中的基本問題129

3.1引言129

3.2航天員艙內活動項目130

3.2.1特定的空間任務130

3.2.2在軌生活131

3.2.3可能隨機出現的活動132

3.3航天員活動分類133

3.3.1按運動形式分類133

3.3.2按動力學特徵分類134

3.3.3按運動學特徵分類135

3.3.4按身體參與狀態分類136

3.4任務的分解與組合137

3.4.1任務全週期定義137

3.4.2任務分解的原則138

3.4.3任務分解示例138

3.5運動的分解與組合139

3.5.1動作分解的原則140

3.5.2動作分解示例140

3.6航天員空間活動腳本設計142

3.6.1腳本設計的目的143

3.6.2腳本設計的內容143

3.6.3關於航天員活動腳本的聲明143

3.6.4腳本設計舉例 144

3.7頻度分析157

3.7.1開展頻度分析的意義157

3.7.2關於頻度的一般性定義158

3.7.3關於事件的定義160

3.7.4關於時間的定義161

3.7.5航天員空間活動頻度的定義163

3.7.6對航天員空間活動頻度的度量164

3.7.7頻度分析方法165

3.8小結168

參考文獻168

第4章人體運動學及動力學模型170

4.1引言170

4.2人體測量學模型170

4.2.1Hanavan的人體模型170

4.2.2人體測量尺寸171

4.2.3質量參數172

4.2.4人體體段模型及其參數計算公式173

4.2.5人體幾何參數及靜態參數177

4.3人體的生物力學模型178

4.3.1人體平面及人體軸定義178

4.3.2人體座標系定義179

4.3.3人體關節活動範圍界定180

4.4人體運動學模型182

4.4.1人體正向運動學模型183

4.4.2人體反向運動學模型185

4.5航天員的動力學模型187

4.5.1人體樹形拓撲結構187

4.5.2航天員在自由態下的動力學方程190

4.5.3航天員在束縛態下活動的動力學模型191

4.6小結194

參考文獻194

第5章航天員空間活動運動學和動力學分析196

5.1引言196

5.2仿真分析方法196

5.2.1任務的介紹197

5.2.2仿真計算197

5.2.3分析比較199

5.3活動類型分析200

5.3.1航天員活動的分類200

5.3.2典型動作類200

5.3.3航天員活動的組合201

5.3.4航天員空間活動特徵狀態分析202

5.3.5討論204

5.4航天員的運動參數分析204

5.4.1運動參數的分析步驟204

5.4.2典型姿態的姿態角205

5.4.3常見典型動作的轉動慣量計算213

5.4.4航天員旋轉運動分析214

5.4.5討論221

5.5動力學參數分析222

5.5.1典型動作的角動量分析222

5.5.2旋轉運動角動量計算226

5.5.3旋轉運動中質心運動軌跡分析226

5.5.4討論226

5.6小結229

參考文獻229

第6章航天員擾動動力學建模231

6.1引言231

6.2基本假設231

6.3座標系定義232

6.3.1常用座標系232

6.3.2航天員座標系233

6.4系統動力學方程235

6.4.1符號記法説明235

6.4.2航天器動量矩238

6.4.3航天員動量矩239

6.4.4航天員－航天器系統動量矩240

6.4.5等效擾動力矩250

6.5小結250

參考文獻251

第7章航天員-航天器系統在航天員擾動下的動力學仿真253

7.1引言253

7.2運動分解254

7.2.1自由態動作分解254

7.2.2調姿動作256

7.2.3束縛態動作分解257

7.3航天員空間動作集合258

7.4起立動作對航天器擾動仿真分析259

7.4.1動作設計259

7.4.2原始參數259

7.4.3相關參數計算262

7.4.4仿真結果264

7.5停靠動作對航天器擾動仿真分析266

7.5.1動作設計266

7.5.2原始參數266

7.5.3相關參數計算268

7.5.4仿真結果270

7.6右臂單擺運動對航天器擾動仿真分析272

7.6.1動作設計272

7.6.2原始參數273

7.6.3仿真結果273

7.7左臂雙擺運動對航天器擾動仿真分析275

7.7.1動作設計275

7.7.2原始參數275

7.7.3仿真結果277

7.8右臂操作儀表板對航天器擾動仿真分析278

7.8.1動作設計278

7.8.2原始參數278

7.8.3仿真結果279

7.9小結280

參考文獻281

第8章航天員－航天器耦合動力學分析284

8.1引言284

8.2航天員不同活動引起的動力學問題分析285

8.2.1航天員在彈簧座椅上時的束縛態動作的

動力學問題285

8.2.2航天員不在彈簧座椅上時的束縛態動作的

動力學問題285

8.2.3航天員單手或雙手抓住手柄後的身體下襬運動的

動力學問題286

8.2.4航天員單手或雙手抓住手柄後的身體往復擺動的

動力學問題286

8.2.5航天員艙內行走和轉身的動力學問題286

8.2.6“接觸式碰撞”的動力學問題287

8.2.7漂浮過程中準備離開時的動力學問題287

8.3干擾力模型288

8.3.1重力梯度力矩模型288

8.3.2氣動干擾模型289

8.3.3航天員抓握動作對航天器的干擾292

8.3.4典型動作的干擾特徵曲線293

8.3.5典型動作的干擾特徵曲線分析297

8.4動力學方程中的基本描述303

8.4.1基本座標系303

8.4.2座標變換關係303

8.4.3航天器姿態描述305

8.4.4變量聲明306

8.5束縛態肢體運動時的航天器姿態動力學模型308

8.5.1航天器運動方程308

8.5.2動力學簡化模型309

8.5.3航天員-航天器系統開環姿態動力學模型310

8.5.4閉環航天員-航天器系統姿態動力學模型324

8.5.5航天員對航天器的干擾力矩計算模型330

8.6碰撞時航天器的姿態動力學模型331

8.6.1基本問題331

8.6.2開環航天員-航天器系統動力學模型331

8.6.3閉環航天員-航天器系統動力學模型333

8.6.4航天員對航天器的干擾力矩計算模型 335

8.7航天員自由態運動過程中的航天器姿態動力學模型336

8.7.1基本問題描述336

8.7.2開環航天器動力學模型336

8.7.3閉環航天器動力學模型336

8.8小結337

參考文獻337

第9章航天員－航天器系統動力學仿真分析338

9.1引言338

9.2任務分析338

9.2.1航天員操作儀器前的就位活動分析339

9.2.2航天員進餐前的就位活動分析341

9.2.3航天員食品準備及進餐活動分析341

9.3任務腳本343

9.3.1航天員操作儀器前的就位活動腳本343

9.3.2航天員進餐前的就位活動腳本345

9.3.3航天員食品準備及進餐活動腳本349

9.4航天員動作分類353

9.5航天員活動對航天器姿態擾動的仿真353

9.5.1座標系定義353

9.5.2載人航天器剛體姿態動力學模型353

9.5.3仿真參數355

9.5.4干擾力矩356

9.5.5航天器姿態響應的仿真結果360

9.5.6結果分析368

9.6小結368

參考文獻369

第10章航天員－航天器－姿態控制系統耦合動力學分析370

10.1引言370

10.2剛體航天器姿態運動學方程和動力學方程372

10.2.1基本假設372

10.2.2姿態運動學方程372

10.2.3姿態動力學方程373

10.3載荷分析374

10.3.1噴氣推力姿態穩定原理374

10.3.2航天員時域擾動力矩377

10.3.3航天員頻域擾動力矩381

10.4航天器姿態控制律設計385

10.4.1極限環參數設計385

10.4.2開關曲線設計386

10.4.3設計例子390

10.5仿真分析391

10.5.1仿真任務設計391

10.5.2仿真原始參數設定393

10.5.3航天員活動引起的干擾力矩計算395

10.5.4推離動作對航天器擾動影響398

10.5.5擾動力矩在航天器姿態精度容許

範圍時的影響402

10.5.6航天員穿艙活動對航天器的擾動影響410

10.5.7仿真結果分析414

10.6PD控制415

10.6.1航天器的剛體姿態動力學模型416

10.6.2航天器姿態控制律設計417

10.6.3俯仰姿態的仿真結果418

10.6.4偏航/滾轉姿態仿真結果422

10.6.5仿真結果分析429

10.7小結430

參考文獻431

第11章航天員－航天器力學環境耦合影響問題432

11.1引言432

11.2力學環境控制對載人航天的意義433

11.2.1空間科學研究與應用研究對微重力

環境的要求433

11.2.2航天員支持系統振動控制的意義435

11.3國外在微重力隔振方面的發展情況436

11.3.1STABLE隔振系統436

11.3.2MIM隔振系統440

11.3.3ARIS隔振系統441

11.3.4G-LIMIT隔振系統444

11.3.5SUITE隔振系統445

11.3.6不同隔振系統的比較446

11.4微重力環境控制隔振方案建議447

11.4.1總體設想447

11.4.2研究內容建議448

11.4.3工程實施建議448

11.5航天員支撐系統振動控制450

11.5.1吸振原理450

11.5.2被動式吸振器452

11.5.3半主動式吸振器453

11.5.4主動式吸振器454

11.5.5航天器的力學環境分析455

11.5.6吸振器模型456

11.5.7三向吸振器設計方案457

參考文獻458

第12章結論與展望461

12.1關於本書的主要結論461

12.1.1關於航天員的空間活動461

12.1.2關於航天器動力學問題463

12.1.3關於航天員與航天器的相互影響463

12.2對相關學科研究的期待463

12.2.1系統動力學464

12.2.2人體測量學464

12.2.3航天生理學464

12.2.4航天心理學465

12.2.5航天環境學465

12.2.6航天人機工效學466

12.2.7其他466

12.3研究後的反思466

12.3.1若干疑問467

12.3.2研究的侷限性467

12.4展望467

12.4.1空間平台468

12.4.2科學實驗468

12.4.3相關科學與技術的發展需求468 ^[1]