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第1章 世界载人航天发展简史1

1.1 发展载人航天的意义1

1.2 苏联及俄罗斯载人航天简史3

1.2.1 东方号飞船4

1.2.2 上升号飞船7

1.2.3 联盟号系列飞船9

1.2.4 进步号系列货船18

1.2.5 第一代礼炮号空间站19

1.2.6 第二代礼炮号空间站21

1.2.7 和平号空间站23

1.2.8 苏联航天飞机的发展历程29

1.2.9 俄罗斯的新航天计划30

1.3 美国载人航天简史31

1.3.1 飞船的发展历程32

1.3.2 阿波罗登月工程33

1.3.3 航天飞机的发展历程37

1.3.4 天空实验室39

1.3.5 国际空间站40

1.3.6 美国的新航天计划50

1.4 欧洲载人航天简史52

1.5 中国载人航天发展简述53

1.5.1 载人航天工程——扬帆起航53

1.5.2 从神舟-1号到神舟-4号飞船——探索前进56

1.5.3 神舟-5号飞船——千年跨越63

1.5.4 神舟-6号飞船——承先启后67

参考文献71

第2章 航天员与航天器的动力学相互影响问题76

2.1 引言76

2.2 问题与挑战77

2.2.1 载人航天发展中提出的新问题77

2.2.2 载人航天对科学技术提出的挑战78

2.3 国外研究情况简介80

2.3.1 关于分析模型82

2.3.2 地面模拟实验87

2.3.3 飞机失重实验98

2.3.4 在轨飞行实验98

2.3.5 其他相关研究及实验116

2.4 国外研究结果的启示118

2.4.1 实验数据指示119

2.4.2 实验主要结论120

2.4.3 启示121

2.5 研究航天员-航天器耦合动力学的意义122

2.5.1 现实意义123

2.5.2 工程意义124

2.5.3 理论及科学意义124

2.5.4 广泛的空间应用意义124

2.5.5 对航天员舱外活动的意义125

2.5.6 对实验的指导意义125

2.5.7 对确保飞行成功与安全的意义125

参考文献126

第3章 航天员-航天器耦合动力学分析中的基本问题129

3.1 引言129

3.2 航天员舱内活动项目130

3.2.1 特定的空间任务130

3.2.2 在轨生活131

3.2.3 可能随机出现的活动132

3.3 航天员活动分类133

3.3.1 按运动形式分类133

3.3.2 按动力学特征分类134

3.3.3 按运动学特征分类135

3.3.4 按身体参与状态分类136

3.4 任务的分解与组合137

3.4.1 任务全周期定义137

3.4.2 任务分解的原则138

3.4.3 任务分解示例138

3.5 运动的分解与组合139

3.5.1 动作分解的原则140

3.5.2 动作分解示例140

3.6 航天员空间活动脚本设计142

3.6.1 脚本设计的目的143

3.6.2 脚本设计的内容143

3.6.3 关于航天员活动脚本的声明143

3.6.4 脚本设计举例144

3.7 频度分析157

3.7.1 开展频度分析的意义157

3.7.2 关于频度的一般性定义158

3.7.3 关于事件的定义160

3.7.4 关于时间的定义161

3.7.5 航天员空间活动频度的定义163

3.7.6 对航天员空间活动频度的度量164

3.7.7 频度分析方法165

3.8 小结168

参考文献168

第4章 人体运动学及动力学模型170

4.1 引言170

4.2 人体测量学模型170

4.2.1 Hanavan的人体模型170

4.2.2 人体测量尺寸171

4.2.3 质量参数172

4.2.4 人体体段模型及其参数计算公式173

4.2.5 人体几何参数及静态参数177

4.3 人体的生物力学模型178

4.3.1 人体平面及人体轴定义178

4.3.2 人体坐标系定义179

4.3.3 人体关节活动范围界定180

4.4 人体运动学模型182

4.4.1 人体正向运动学模型183

4.4.2 人体反向运动学模型185

4.5 航天员的动力学模型187

4.5.1 人体树形拓扑结构187

4.5.2 航天员在自由态下的动力学方程190

4.5.3 航天员在束缚态下活动的动力学模型191

4.6 小结194

参考文献194

第5章 航天员空间活动运动学和动力学分析196

5.1 引言196

5.2 仿真分析方法196

5.2.1 任务的介绍197

5.2.2 仿真计算197

5.2.3 分析比较199

5.3 活动类型分析200

5.3.1 航天员活动的分类200

5.3.2 典型动作类200

5.3.3 航天员活动的组合201

5.3.4 航天员空间活动特征状态分析202

5.3.5 讨论204

5.4 航天员的运动参数分析204

5.4.1 运动参数的分析步骤204

5.4.2 典型姿态的姿态角205

5.4.3 常见典型动作的转动惯量计算213

5.4.4 航天员旋转运动分析214

5.4.5 讨论221

5.5 动力学参数分析222

5.5.1 典型动作的角动量分析222

5.5.2 旋转运动角动量计算226

5.5.3 旋转运动中质心运动轨迹分析226

5.5.4 讨论226

5.6 小结229

参考文献229

第6章 航天员扰动动力学建模231

6.1 引言231

6.2 基本假设231

6.3 坐标系定义232

6.3.1 常用坐标系232

6.3.2 航天员坐标系233

6.4 系统动力学方程235

6.4.1 符号记法说明235

6.4.2 航天器动量矩238

6.4.3 航天员动量矩239

6.4.4 航天员-航天器系统动量矩240

6.4.5 等效扰动力矩250

6.5 小结250

参考文献251

第7章 航天员-航天器系统在航天员扰动下的动力学仿真253

7.1 引言253

7.2 运动分解254

7.2.1 自由态动作分解254

7.2.2 调姿动作256

7.2.3 束缚态动作分解257

7.3 航天员空间动作集合258

7.4 起立动作对航天器扰动仿真分析259

7.4.1 动作设计259

7.4.2 原始参数259

7.4.3 相关参数计算262

7.4.4 仿真结果264

7.5 停靠动作对航天器扰动仿真分析266

7.5.1 动作设计266

7.5.2 原始参数266

7.5.3 相关参数计算268

7.5.4 仿真结果270

7.6 右臂单摆运动对航天器扰动仿真分析272

7.6.1 动作设计272

7.6.2 原始参数273

7.6.3 仿真结果273

7.7 左臂双摆运动对航天器扰动仿真分析275

7.7.1 动作设计275

7.7.2 原始参数275

7.7.3 仿真结果277

7.8 右臂操作仪表板对航天器扰动仿真分析278

7.8.1 动作设计278

7.8.2 原始参数278

7.8.3 仿真结果279

7.9 小结280

参考文献281

第8章 航天员-航天器耦合动力学分析284

8.1 引言284

8.2 航天员不同活动引起的动力学问题分析285

8.2.1 航天员在弹簧座椅上时的束缚态动作的动力学问题285

8.2.2 航天员不在弹簧座椅上时的束缚态动作的动力学问题285

8.2.3 航天员单手或双手抓住手柄后的身体下摆运动的动力学问题286

8.2.4 航天员单手或双手抓住手柄后的身体往复摆动的动力学问题286

8.2.5 航天员舱内行走和转身的动力学问题286

8.2.6 “接触式碰撞”的动力学问题287

8.2.7 漂浮过程中准备离开时的动力学问题287

8.3 干扰力模型288

8.3.1 重力梯度力矩模型288

8.3.2 气动干扰模型289

8.3.3 航天员抓握动作对航天器的干扰292

8.3.4 典型动作的干扰特征曲线293

8.3.5 典型动作的干扰特征曲线分析297

8.4 动力学方程中的基本描述303

8.4.1 基本坐标系303

8.4.2 坐标变换关系303

8.4.3 航天器姿态描述305

8.4.4 变量声明306

8.5 束缚态肢体运动时的航天器姿态动力学模型308

8.5.1 航天器运动方程308

8.5.2 动力学简化模型309

8.5.3 航天员-航天器系统开环姿态动力学模型310

8.5.4 闭环航天员-航天器系统姿态动力学模型324

8.5.5 航天员对航天器的干扰力矩计算模型330

8.6 碰撞时航天器的姿态动力学模型331

8.6.1 基本问题331

8.6.2 开环航天员-航天器系统动力学模型331

8.6.3 闭环航天员-航天器系统动力学模型333

8.6.4 航天员对航天器的干扰力矩计算模型335

8.7 航天员自由态运动过程中的航天器姿态动力学模型336

8.7.1 基本问题描述336

8.7.2 开环航天器动力学模型336

8.7.3 闭环航天器动力学模型336

8.8 小结337

参考文献337

第9章 航天员-航天器系统动力学仿真分析338

9.1 引言338

9.2 任务分析338

9.2.1 航天员操作仪器前的就位活动分析339

9.2.2 航天员进餐前的就位活动分析341

9.2.3 航天员食品准备及进餐活动分析341

9.3 任务脚本343

9.3.1 航天员操作仪器前的就位活动脚本343

9.3.2 航天员进餐前的就位活动脚本345

9.3.3 航天员食品准备及进餐活动脚本349

9.4 航天员动作分类353

9.5 航天员活动对航天器姿态扰动的仿真353

9.5.1 坐标系定义353

9.5.2 载人航天器刚体姿态动力学模型353

9.5.3 仿真参数355

9.5.4 干扰力矩356

9.5.5 航天器姿态响应的仿真结果360

9.5.6 结果分析368

9.6 小结368

参考文献369

第10章 航天员-航天器-姿态控制系统耦合动力学分析370

10.1 引言370

10.2 刚体航天器姿态运动学方程和动力学方程372

10.2.1 基本假设372

10.2.2 姿态运动学方程372

10.2.3 姿态动力学方程373

10.3 载荷分析374

10.3.1 喷气推力姿态稳定原理374

10.3.2 航天员时域扰动力矩377

10.3.3 航天员频域扰动力矩381

10.4 航天器姿态控制律设计385

10.4.1 极限环参数设计385

10.4.2 开关曲线设计386

10.4.3 设计例子390

10.5 仿真分析391

10.5.1 仿真任务设计391

10.5.2 仿真原始参数设定393

10.5.3 航天员活动引起的干扰力矩计算395

10.5.4 推离动作对航天器扰动影响398

10.5.5 扰动力矩在航天器姿态精度容许范围时的影响402

10.5.6 航天员穿舱活动对航天器的扰动影响410

10.5.7 仿真结果分析414

10.6 PD控制415

10.6.1 航天器的刚体姿态动力学模型416

10.6.2 航天器姿态控制律设计417

10.6.3 俯仰姿态的仿真结果418

10.6.4 偏航／滚转姿态仿真结果422

10.6.5 仿真结果分析429

10.7 小结430

参考文献431

第11章 航天员-航天器力学环境耦合影响问题432

11.1 引言432

11.2 力学环境控制对载人航天的意义433

11.2.1 空间科学研究与应用研究对微重力环境的要求433

11.2.2 航天员支持系统振动控制的意义435

11.3 国外在微重力隔振方面的发展情况436

11.3.1 STABLE隔振系统436

11.3.2 MIM隔振系统440

11.3.3 ARIS隔振系统441

11.3.4 G-LIMIT隔振系统444

11.3.5 SUITE隔振系统445

11.3.6 不同隔振系统的比较446

11.4 微重力环境控制隔振方案建议447

11.4.1 总体设想447

11.4.2 研究内容建议448

11.4.3 工程实施建议448

11.5 航天员支撑系统振动控制450

11.5.1 吸振原理450

11.5.2 被动式吸振器452

11.5.3 半主动式吸振器453

11.5.4 主动式吸振器454

11.5.5 航天器的力学环境分析455

11.5.6 吸振器模型456

11.5.7 三向吸振器设计方案457

参考文献458

第12章 结论与展望461

12.1 关于本书的主要结论461

12.1.1 关于航天员的空间活动461

12.1.2 关于航天器动力学问题463

12.1.3 关于航天员与航天器的相互影响463

12.2 对相关学科研究的期待463

12.2.1 系统动力学464

12.2.2 人体测量学464

12.2.3 航天生理学464

12.2.4 航天心理学465

12.2.5 航天环境学465

12.2.6 航天人机工效学466

12.2.7 其他466

12.3 研究后的反思466

12.3.1 若干疑问467

12.3.2 研究的局限性467

12.4 展望467

12.4.1 空间平台468

12.4.2 科学实验468

12.4.3 相关科学与技术的发展需求468