导弹.航天器结构分析与设计

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出版时间:1995-10
价格:12.90元
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isbn号码:9787561207550
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  • 导弹
  • 航天器
  • 结构力学
  • 有限元分析
  • 航空航天
  • 工程设计
  • 机械工程
  • 材料力学
  • 结构分析
  • 飞行器结构
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具体描述

《航天器动力学与控制》 内容概述 本书深入探讨了航天器在轨运行过程中的核心动力学特性,以及如何通过精确的控制系统来维持和改变其姿态、轨道和任务执行。全书围绕航天器的运动学、动力学模型建立、姿态动力学分析、轨道动力学分析、以及各种控制策略的设计与实现展开,旨在为读者提供一个全面、系统且具有深度理解航天器运行机制的知识框架。 第一章:航天器运动学基础 本章首先回顾并扩展了描述航天器姿态和位置的运动学基础理论。内容涵盖: 坐标系定义与转换: 详细介绍惯性参考系(如地固坐标系、日心坐标系、惯性空间坐标系)、航天器体坐标系、以及过渡到各种任务相关的坐标系。着重讲解欧拉角、四元数、旋转矩阵等不同姿态表示方法的数学定义、优缺点以及相互转换的严谨推导。特别强调四元数在避免万向锁问题方面的优势及其在实际应用中的重要性。 角速度和角加速度的描述: 深入分析不同坐标系下的角速度和角加速度矢量表示,以及它们之间的关系。推导了从体坐标系角速度到惯性系角速度的转换公式,为后续动力学分析奠定基础。 轨道运动描述: 回顾并深化开普勒定律在描述理想中心引力场下航天器轨道运动中的应用。介绍轨道根数(如半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角)的物理意义及其与轨道形状、大小和方向的关系。讨论了轨道参数随时间的微小变化,为后续的轨道摄动分析铺垫。 第二章:航天器刚体动力学建模 本章聚焦于建立航天器作为刚体的动力学模型,这是理解其运动响应的基础。 牛顿-欧拉方程: 详细推导牛顿-欧拉方程在刚体动力学中的应用,包括描述质心运动的平动方程和描述绕质心转动的转动方程。 转动惯量张量: 深入阐述转动惯量张量的概念,其在坐标系下的表示,以及如何计算一个复杂形状物体的转动惯量张量。强调其对称性及其在动力学方程中的作用。 欧拉动力学方程: 推导了航天器在不受外力矩作用下,以体坐标系为参考系的欧拉动力学方程,即:$I dot{omega} + omega imes (I omega) = M$,其中 $I$ 为转动惯量张量,$ omega $为角速度矢量,$ M $为外力矩。着重分析方程的物理含义,以及角动量守恒等概念。 外力矩的建模: 详细分析航天器可能遇到的各种外力矩源,包括地球引力矩(梯度力矩)、太阳光压矩、大气阻力矩、以及内部执行机构(如反作用轮、推力器)产生的力矩。对每种力矩的产生机理、数学模型及其影响进行深入分析。例如,地球引力矩的产生与航天器质心和质心以外的质量分布有关,其模型需要考虑地球的非球形特性。 第三章:航天器姿态动力学分析 本章在动力学模型的基础上,深入分析航天器的姿态动力学特性。 姿态动力学方程: 将外力矩模型代入欧拉动力学方程,得到完整的航天器姿态动力学方程。讨论其方程的形式和求解的复杂性。 姿态稳定性和进动/章动: 分析航天器在不同构型下的姿态稳定性。例如,讨论具有对称转动惯量(如扁球体)的航天器在不受外力矩作用下的稳定自转状态。深入分析在外部摄动下,航天器发生的进动(Precession)和章动(Nutation)现象,阐述其产生机理和数学描述。 姿态动态响应: 研究不同类型的外部力矩(如短时脉冲力矩、连续力矩)对航天器姿态动态响应的影响。分析姿态变化的规律,以及如何通过姿态动力学分析来预测和理解航天器的姿态行为。 第四章:航天器轨道动力学分析 本章将目光转向航天器在轨道上的运动,分析其轨道特性和受到的摄动。 二体问题: 回顾并深化理想化二体问题(仅考虑两个天体之间的万有引力)在轨道力学中的应用,包括轨道运动的周期性、轨道参数与轨道形状的关系。 轨道摄动理论: 引入轨道摄动理论,分析除二体引力外,其他因素对航天器轨道的影响。详细讨论: 地球非球形引力摄动: 重点分析地球扁率 ($J_2$) 引起的轨道面(升交点赤经)和轨道近地点(近地点幅角)的漂移,推导相关的摄动方程。 三体摄动: 分析月球、太阳等其他天体引力对航天器轨道的影响。 大气阻力摄动: 针对近地轨道航天器,分析大气阻力对其轨道衰减的影响,包括阻力系数、大气密度模型等。 太阳光压摄动: 分析太阳光压对高轨航天器轨道的影响,特别是与航天器表面反射特性的关系。 轨道维持与轨道控制: 基于轨道摄动分析,介绍为了维持航天器在预定轨道上运行所必需的轨道维持策略,以及为了改变轨道参数而进行的轨道控制机动。 第五章:航天器姿态控制系统设计 本章将理论分析与工程实践相结合,介绍姿态控制系统的设计。 姿态测量: 详细介绍航天器姿态信息获取的常用传感器,包括星敏感器、太阳敏感器、地磁传感器、陀螺仪(如IMU)以及相对测量传感器(如激光测距仪)。讨论其工作原理、精度、量程、测量噪声等特性。 姿态执行机构: 介绍实现姿态控制的常用执行机构,包括反作用轮(Momentum Wheels)、控制力矩陀螺(CMGs)、磁力矩器(Magnetorquers)和推进系统(如推力器)。深入分析它们的动力学模型、响应特性、能耗以及适用场景。 控制律设计: PID 控制: 介绍经典的比例-积分-微分(PID)控制器在姿态控制中的应用,分析其优点、缺点以及参数整定方法。 线性二次调节器(LQR): 介绍LQR最优控制理论在姿态控制中的应用,如何根据系统模型和性能指标设计最优控制律。 滑模控制: 讨论滑模控制在处理模型不确定性和外部扰动方面的优势,并介绍其基本设计方法。 基于模型的预测控制(MPC): 介绍MPC技术如何结合系统模型对未来进行预测,并生成最优控制指令,在复杂动态系统控制中的应用。 姿态控制系统框图与实现: 整合测量、控制律和执行机构,展示完整的姿态控制系统框图。讨论系统集成、硬件实现、软件开发以及地面仿真测试的重要性。 第六章:航天器轨道控制系统设计 本章专注于设计和实现维持或改变航天器轨道的控制系统。 轨道控制策略: 轨道维持: 详细讨论如何利用推进系统进行定期的轨道维持机动,以抵消轨道摄动的影响,使航天器保持在目标轨道附近。 轨道转移: 介绍经典的轨道转移机动,如霍曼转移轨道、双椭圆转移轨道等,分析其最优性和效率。 轨道星座保持: 针对多航天器星座,讨论星座内各航天器之间的相对轨道控制策略,以保持预定的星座构型。 推进系统建模: 详细介绍航天器推进系统的模型,包括不同类型发动机(如化学推进、电推进)的性能参数(如比冲、推力)、燃料消耗模型以及推力矢量控制。 轨道控制律设计: 介绍如何设计控制律来精确控制推进系统的开关、推力大小和推力方向,以实现期望的轨道变化。 导航与轨道确定: 讨论航天器进行轨道控制前,对自身轨道进行精确确定的重要性。介绍常用的导航技术,如GPS接收机、星敏感器、地面跟踪站等。 第七章:航天器组合系统仿真与测试 本章强调理论模型转化为实际应用前的仿真和测试环节。 仿真环境搭建: 介绍用于航天器动力学和控制仿真的常用软件工具(如MATLAB/Simulink、STK等),以及如何搭建高保真度的仿真环境。 系统级仿真: 演示如何将航天器动力学模型、控制系统模型、传感器和执行机构模型集成到仿真环境中,进行不同工况下的系统级仿真。 敏感性分析与鲁棒性评估: 通过仿真分析系统对参数变化、模型不确定性和外部扰动的敏感性,评估控制系统的鲁棒性。 硬件在环(Hardware-in-the-Loop, HIL)测试: 介绍HIL测试的概念和方法,即在真实飞行硬件(如飞控计算机)连接模拟的航天器环境进行测试,以提高测试的真实性和效率。 地面验证: 讨论地面验证的重要性,包括集成测试、环境试验(如振动、热真空试验)以及功能试验,以确保航天器在轨运行的可靠性。 结论 《航天器动力学与控制》为读者提供了一个深入理解航天器如何在复杂环境中精确运动和控制的全面视角。通过理论推导、模型分析和实际应用相结合的方式,本书旨在培养读者独立分析和解决航天器动力学与控制相关问题的能力,为未来航天事业的发展奠定坚实的技术基础。本书内容严谨、逻辑清晰,既适合相关专业的研究生和高年级本科生学习,也为从事航天器设计、研发和任务规划的工程师提供了宝贵的参考。

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这本书的排版和图示质量,坦白说,是工业技术书籍中少有的优秀范例。很多复杂的受力剖面图和内部结构透视图,都处理得清晰明了,几乎没有产生阅读上的歧义。我尤其喜欢作者在讲解**疲劳寿命预测模型**时使用的那种循序渐进的逻辑。他没有直接抛出复杂的S-N曲线或Miner法则,而是从基本的应力循环概念讲起,一步步引入随机载荷环境下的累积损伤理论。这使得即便是第一次接触这块内容的读者,也能比较顺畅地跟上思路。美中不足的是,在涉及**振动模式分析**的那几章,理论推导虽然完整,但缺乏足够多的实际案例来佐证,比如,一个典型的火箭助推器分离时的振动特性是如何通过这些理论模型来预测和验证的,如果能加入一些实际的测试数据进行对比验证,这本书的实用价值会再次飙升一个档次。

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这本书的封面设计简洁有力,那种深邃的蓝色调立刻让人联想到浩瀚的宇宙和精密的技术。我原本以为这会是一本非常枯燥的教科书,里面塞满了复杂的公式和晦涩难懂的理论,毕竟书名听起来就充满了硬核的工程气息。然而,翻开目录后,我发现它竟然巧妙地将理论深度与实际应用做了个漂亮的平衡。特别是关于材料选择和载荷分析的那几个章节,作者似乎花了不少心思去解释为什么某种特定合金比另一种更适合用于高超音速飞行器的外壳,而不是简单地罗列出一堆数据。我印象特别深的是其中一段关于热防护系统的讨论,它没有停留在传统的陶瓷瓦片介绍,而是深入探讨了未来可重复使用航天器可能采用的下一代相变材料的潜力。这种前瞻性和对细节的关注,让这本书不仅仅是知识的搬运工,更像是行业内一位经验丰富的老工程师在娓娓道来他的心血结晶。对于初学者来说,或许需要一些基础知识的铺垫才能完全吸收,但对于有一定背景的读者来说,这本书无疑提供了一个非常扎实且富有启发性的参考框架。

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当我拿到这本书时,我的第一反应是它“份量十足”,那种沉甸甸的感觉本身就带着一种专业和可靠的气息。我主要关注的是其中关于**非线性动力学建模**的那一部分内容,因为我正在研究一个涉及复杂气动弹性耦合的结构问题。我非常欣赏作者在推导过程中所展现出的严谨性,每一步的假设和简化都被清晰地标注出来,这对于我们实际建模时选择合适的简化模型至关重要。不过,说实话,有些高级的数值计算方法的描述略显精炼,如果能再配上一些具体的代码实现思路或者更详尽的算例对比就更完美了。比如,对于有限元网格划分对计算结果影响的敏感性分析部分,如果能用图表直观展示不同网格密度下的误差收敛曲线,对我们优化计算资源配置会有极大的帮助。总体来说,这本书为我理解和解决复杂的结构稳定性问题提供了坚实的理论基础,但对于那些更偏向于软件应用层面的工程师来说,可能还需要搭配其他侧重于特定软件操作的手册来使用。

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从一个项目管理的视角来看待这本书,它提供了一个非常可靠的**设计规范和审查基线**。书中的章节组织结构清晰地反映了一个成熟的结构设计周期:从概念设计初期的可行性分析,到详细设计阶段的应力校核,再到最后的制造公差与装配要求。特别是关于**对接机构和机构运动部件的可靠性设计**那块,作者给出的安全裕度设置标准似乎非常贴近行业内的实际操作经验,而不是凭空臆想的保守值。这种“做工程”的实战感是很多纯理论书籍所不具备的。唯一的“吹毛求疵”之处在于,书中对国际标准(如ASTM或NASA的标准)的引用略显分散,如果能在附录中集成一个关键标准的对照列表,对于需要快速查阅规范的工程师来说,会省去不少时间去翻阅其他资料,无疑能让这本书成为工具箱里的必备良品。

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这本书的写作风格非常“工程师化”,强调的是可验证性和可重复性。它不像某些学术专著那样沉迷于创立新理论,而是更专注于如何将已有的、经过验证的工程原理应用到实际的航天器设计流程中去。我特别欣赏它在**故障诊断与健康监测(PHM)**部分的处理方式。作者清晰地阐述了如何将结构健康监测传感器(如光纤布拉格光栅)的数据,通过特定的算法反馈到实时结构模型中,以提前预警潜在的结构退化。这种系统集成思维贯穿全书,体现了现代工程设计不再是孤立模块的堆砌,而是高度耦合的整体。唯一让我感到有些遗憾的是,对于新兴的**增材制造(3D打印)**技术在关键承力部件制造中带来的结构特性变化和相应的校核方法,讨论得还不够深入,这块内容在当前航空航天领域发展迅速,相信在下一版中能看到更详尽的篇幅。

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