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