航天動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容包括:航天器的質(zhì)心運(yùn)動(dòng),稱軌道運(yùn)動(dòng);航天器相對(duì)于自身質(zhì)心的運(yùn)動(dòng),稱姿態(tài)運(yùn)動(dòng);與航天器發(fā)射、航天器軌道機(jī)動(dòng)有關(guān)的火箭的運(yùn)動(dòng)。
航天器的飛行過程一般可以分為三個(gè)階段:①發(fā)射段。航天器由運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)攜帶,從地面起飛達(dá)到預(yù)定的高度和速度的階段。②運(yùn)行軌道段。航天器主要在萬有引力等自然界外力作用下運(yùn)動(dòng)的階段。有時(shí)為了保持預(yù)定的軌道,需要施加一定的推力;有時(shí)作軌道機(jī)動(dòng)則需要對(duì)航天器施加比較大的推力。③降落軌道段。一些航天器需要返回地球表面或降落在目標(biāo)天體的表面。這時(shí)航天器在火箭推力、氣動(dòng)阻力(或升力)等作用下,離開運(yùn)行軌道向天體表面降落。在以上各階段中,航天器運(yùn)動(dòng)都包含軌道運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)部分。 按研究內(nèi)容可分為航天器動(dòng)力學(xué)和火箭動(dòng)力學(xué)。航天器動(dòng)力學(xué)又分為航天器軌道動(dòng)力學(xué)、航天器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和航天器再入動(dòng)力學(xué)。研究航天器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。經(jīng)典天體力學(xué)研究自然界天體的運(yùn)動(dòng),在研究大行星、月球運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上,總結(jié)出軌道攝動(dòng)理論。航天器軌道動(dòng)力學(xué)是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
20世紀(jì)50年代末在一些航天器相繼發(fā)射成功后,軌道動(dòng)力學(xué)發(fā)展成為與工程實(shí)踐密切聯(lián)系的應(yīng)用學(xué)科,其研究內(nèi)容也超出了傳統(tǒng)的天體力學(xué)范圍。主要包括軌道理論研究和軌道應(yīng)用研究。
①軌道理論研究。目的在于精確地求出航天器任意時(shí)刻的位置和速度。軌道理論以天體力學(xué)中的攝動(dòng)理論為基礎(chǔ)。將航天器軌道分為兩部分:一部分是簡化理論軌道;另一部分是實(shí)際軌道和簡化理論軌道的差,稱為軌道攝動(dòng)。求解軌道攝動(dòng)的方法有近似解析法和數(shù)值積分法。軌道理論研究是軌道應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。
②軌道應(yīng)用研究。包括軌道設(shè)計(jì)、軌道確定、攝動(dòng)因素研究等。航天器與自然天體的區(qū)別是其軌道可以人為地選擇和控制,業(yè)已設(shè)計(jì)成功的實(shí)用軌道主要有地球靜止軌道、回歸軌道、太陽同步軌道、極軌道、凍結(jié)軌道等。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)確定航天器軌道的過程稱為軌道確定。與自然天體相比,航天器的運(yùn)動(dòng)角速度大,且與地球站保持無線電聯(lián)系。在以自然天體為研究對(duì)象的古典軌道確定方法基礎(chǔ)上,逐步形成了更實(shí)用的方法,滿足了精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的要求。精確測(cè)得的軌道又為研究攝動(dòng)因素提供信息,用以研究天體引力場(chǎng)、天體形狀、大氣密度等。研究航天器繞其質(zhì)心運(yùn)動(dòng)或航天器各部分之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。求出任意時(shí)刻的航天器姿態(tài)是姿態(tài)動(dòng)力學(xué)的基本任務(wù)。其具體過程是:建立動(dòng)力學(xué)模型,分析作用力和力矩,建立和求解運(yùn)動(dòng)方程。根據(jù)航天器的任務(wù),航天器在運(yùn)行過程中要求保持一定的姿態(tài)或改變姿態(tài)。為此,要尋求簡單、經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定方式和機(jī)動(dòng)方法。姿態(tài)穩(wěn)定和姿態(tài)機(jī)動(dòng)方法可根據(jù)消耗能源的情況分為:①被動(dòng)式。不需要供給能源,利用自然環(huán)境和航天器運(yùn)動(dòng)的特性,如重力梯度穩(wěn)定、自旋穩(wěn)定等。
②主動(dòng)式。需要消耗能源,如采用推力系統(tǒng)的三軸穩(wěn)定、以飛輪為主的三軸穩(wěn)定。
③半主動(dòng)半被動(dòng)式。是前兩種方式的合理組合,適時(shí)地施加控制力矩用以克服自然界的干擾,實(shí)現(xiàn)姿態(tài)長期穩(wěn)定。研究航天器進(jìn)入行星大氣層或再入地球大氣層時(shí)的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。航天器再入動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)、變質(zhì)量力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、控制理論。其任務(wù)是求出任意時(shí)刻航天器的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)參數(shù)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。求解方法主要是數(shù)值積分法。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是尋求一條在著陸點(diǎn)精度、過載峰值、氣動(dòng)力加熱等方面均滿足設(shè)計(jì)要求的再入(或進(jìn)入)軌道。研究運(yùn)載器、運(yùn)輸器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的學(xué)科。火箭動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)、變質(zhì)量力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、控制理論。任務(wù)是求出任意時(shí)刻火箭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),分析火箭姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。 研究內(nèi)容包括:①建立和求解火箭運(yùn)動(dòng)方程。包括軌道方程和姿態(tài)方程。求解方法主要是數(shù)值積分法。②火箭軌道優(yōu)化。能完成使命的火箭軌道往往有許多條,在滿足航區(qū)安全和地面跟蹤測(cè)量的前提下,選出一條最佳軌道。所謂最佳,有時(shí)指運(yùn)載量最大,有時(shí)指精度最高,有時(shí)指飛行時(shí)間最短等。③姿態(tài)穩(wěn)定性分析。在外界干擾力矩作用下并考慮箭體彈性、液體晃動(dòng)等情況下分析火箭飛行的穩(wěn)定性。