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研究生:蕭惟庭
論文名稱:發射載具的設計與入軌
論文名稱(外文):Launch Vehicle Design and Control
指導教授:林清安林清安引用關係
指導教授(外文):Lin, Ching-An
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:電控工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:53
中文關鍵詞:發射載具衛星入軌
外文關鍵詞:Launch Vehicle
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欲將衛星發射進入軌道,火箭是目前最常被使用的載具,利用持續的推力將自身及酬載一同推入高空,並以多節的型式持續加速以節省燃料。一般來說,火箭以垂直或接近垂直的角度發射,在大氣層中利用重力轉彎減少空氣阻力,以免載具受到側向力矩損壞,脫離大氣層後,在適當的時間與位置進行轉向,最後控制酬載在軌道上加速,並在預期的目標軌道上以正確的飛行方向與速度入軌。本文由設計載具以及時間參數開始,之後控制轉向與姿態,而最後在入軌加速階段,更以高度回授控制,讓軌道高度符合要求。由於火箭升空時,大部分的受力,包括氣動力、重力皆不是線性,除了需要預測軌跡以外,還需要在多次的模擬後進行改進。本文在不同的軌道要求下,利用一些控制器,進行整體設計並加入誤差,而在模擬結果中,使用的計算方式與控制法則能達到入軌的要求。
A rocket is the most frequently used vehicle to launch a payload into orbit for taking advantage of its continuous thrust to lift itself and the payload into the high altitude and of the multi-stage mode of sustained acceleration to economize the use of propellant. General speaking, the launch angle of the rocket is vertical or near vertical and gravity turn is used to the reduction of air resistance for avoiding the vehicle from damage of lateral torque in the atmosphere; and further, it can be steered into different directions in proper time and position after leaving the atmosphere; finally, the payload can be controlled to accelerate and enter the orbit with accurate directions and speed of flight in the expected target orbit. This thesis starts on design of rocket and time parameter and then the control of steering and attitude; eventually it makes use of altitude feedback control to meet the requirement of orbit altitude in the final acceleration stage of entering orbit. Because the rocket is forced a lot while launching, including the nonlinear force of aerodynamics and gravity, it not only requires the anticipation of trajectories but also many times of simulation for improvement. This thesis researches on the design with the consideration of errors for meeting different requirements of orbits and results of the simulation successfully achieve the goal of entering orbit by the use of the controller and calculation methods in different cases.
第一章 緒論 1
第二章 載具受力模型 3
2.1 座標系定義 3
2.2物體的位置速度變化 8
2.2.1 離心力對 的影響 9
2.2.2 科氏力對 的影響 10
2.2.3 速度對 的影響 11
2.2.4 TVC系統、重力、空氣阻力對 的影響 13
2.3 姿態變化 14
2.3.1 尤拉角座標轉換 14
2.3.2 尤拉方程式 15
2.3.3 四元素方程式 16
2.3.4 旋轉運動方程式 17
2.4 氣動力模型 17
2.5 火箭推力 19
第三章 載具設計 20
3.1 物理參數的設計: 22
3.2 時間參數的設計 26
第四章 控制系統 30
4.1 火箭轉向控制器 30
4.1.1 重力轉彎 30
4.1.2 大幅度轉向 30
4.2入軌前的精準控制 31
第五章 模擬結果與討論 34
5.1 軌道高度300km入軌模擬結果 34
5.1.1 入軌情形 34
5.1.2 加上時間誤差 36
5.2 以不同高度入軌的情形 40
5.3 討論燃料比率及 的影響 42
5.3.1不同燃料比率的模擬 42
5.3.2入軌條件的臨界值與修正 43
第六章 結論 52
參考資料 53
[1] C. A. Lin, “Six Degree-of-Freedom Sumulation of Launch Vehicle Dynamics A Preliminary Report”, Jan 2, 2007.
[2] Wikipedia Low Earth Orbit http://en.wikipedia.org/wiki/Low_Earth_orbit
[3] Wikipedia CZ-1D http://en.wikipedia.org/wiki/CZ-1D
[4] Wikipedia Titan IIIB http://en.wikipedia.org/wiki/Titan_IIIB
[5] Wikipedia List of rockets http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_rockets
[6] Martin J. L. Turner, Rocket and Spacecraft Propulsion, Springer Berlin Heidelberg, 2006.
[7] Taurus® Launch System Payload User’s Guide March 2006 Release 4.0, http://www.orbital.com/NewsInfo/Publications/taurus-user-guide.pdf
[8] Herbert Goldstein, Classical mechanics, 2nd edition, Section 4-5, pp.148-158, Appendix B, pp.608-610, Addison-Wesley publishing company, 1980.
[9] Maham add Marrdonny, and Mohammad Mobed, “A Guidance Algorithm for Launch to Equatorial Orbit” Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal Volume, 81, Number 2, 2009, 137-148.
[10] Stephen T. Thornton, and Jerry B. Marion, Classical Dynamics of Particles and Systems, Thomson 2004.
[11] Francis Hale, Introduction to Space Flight, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1994.
[12] R.H. Battin, An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics, AIAA Education Series, New York, NY. 1987.
[13] Jian Lin, Xiaohui Lin, Xibin Cao, “Mix Genetic and Simulated Annealing Algorithm for Low-Thrust Orbit Transfers”, Research Center of Satellite Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China.

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