低轨航天器磁推进方法研究

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：割珏蕴指导教师：韭壅研究虽主国型堂院左堂班究压学位类别：王堂埴±学科专业：二筮左堂皇左堂基础培养单位：主国型堂暄左堂班究压2013年5月ByLiuKaileiADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngine

2、eringInstituteofMechanics，ChineseAcademyofSciencesMay，2013㈣2⋯5¨¨¨¨¨¨i■■__■舢0Ⅲ啪7洲3㈣ZⅢ⋯r低轨航天器磁推进方法研究摘要传统的在轨航天器推进技术，从冷气推进到单／双组元推进，再到电推进，以不断提高燃料工质比冲的方式来获得航天器长期轨道机动能力。但始终无法避免工质消耗问题，一旦消耗完毕则面临失控或坠毁，成为限制航天器在轨工作寿命、在轨活动区域和可执行使命任务范围的主要瓶颈和制约。为此，各国科学家开始积极探索以无工质消耗为目标的新型推

3、进概念和方法。针对低轨航天器，代表性研究主要集中在以地球磁场作为推力转换媒介的电动绳系和静电推进，但均存在推进力控制方法有限、姿态难控、高额碰撞风险、需要复杂电子收集／发射器等弊端。虽然这两种方法原理各异，但给我们相同的启示却是地球空间磁场有可能成为一种推进资源，而磁．磁作用，也可能成为推进动力的转换基础。鉴此，本文提出通过星载电磁体设备产生静强磁体，并与地球空间磁场相互作用，使航天器获得有效推力的无工质消耗推进新设想，即“磁推进”。作为一种全新的空间推进方法，本文在如下方面进行了综合研究：磁推进机理与环境特

4、性研究。1)以带磁航天器在地球磁场中的磁势能和地球磁场电磁性质出发，建立磁推进航天器受力模型、明晰磁推力与地磁梯度关系、及磁力矩与地磁强度耦合效应；2)地球磁场作为磁推进航天器的主要空间运行环境，建立基于IGRFl1的地磁梯度分布模型，并分析近地空间磁场强度及梯度分布特性；3)为便于定性分析与方法研究，建立简化表达式的地磁场近似模型。磁推进轨道动力学及运行特性研究。1)分析磁推进航天器的连续弱推力特性，并建立磁推进轨道动力学与运动学模型：2)从该模型出发，研究连续弱磁推力下的磁推进轨道面内／外保持与机动方法；

5、3)通过对比分析地磁分布与空间摄动力特点，研究益于磁推进航天器飞行的轨道运行特点。磁推进控制策略与优化方法研究。1)基于磁推进的姿轨耦合动力学特性，研究以无附加扰动推力、无周期累计力矩、无瞬时力矩效应、最速机动为目标的轨道机动控制策略；2)基于磁推力、磁力矩与地磁分布的强关联性，研究针对推力和轨姿控优化的分弧段推进优化方法。磁推进应用研究。1)提出可利用磁推力抵消大气阻力的磁推进轨道保持应用方法，并研究其边界计算方法和飞行包络，得出磁矩为105Am2的小型航天器低轨航天器磁推进方法研究可实现700km以上高倾

6、角轨道的高度保持；2)提出磁推进面内高度机动应用方法，当磁矩为107Am2时可在数10天内提升轨道高度lkm；3)提出磁推进太阳同步轨道地方时保持应用方法，即采用磁推进修正轨道、使轨道根数满足同步轨道约束方程、实现地方时保持。磁推进可实现性与磁推力器设计构想。1)针对空间特殊环境，探讨可用于磁推进的星载强磁矩产生方法；2)以超导螺线环为磁推力器基本设计思路，研究磁推力器磁态和几何优化构型；3)以空间环境为应用背景，探讨空间超导技术的热控方法和可实现性。研究结果表明，利用现有技术己可在空间中产生105加n2～1

7、06Am2量级的小型超导磁矩，并可满足相应热控需求。磁推进航天器综合仿真验证。建立了IGRFl1地磁模型下的磁推进航天器数值仿真环境，对地磁分布、控制策略、优化方法与应用示例进行了综合仿真验证，仿真结果表明了相应理论推导的正确性和方法策略的有效性。主题词：磁推进、低轨航天器、无质消耗推进、地球磁场梯度分布、磁推进策略、磁力线追踪、弧段优化、空间超导螺线环低轨航天器磁推进方法研究AbstractResearchonMagnetismPropulsionforLEOspacecraftLiuKaileiDirec

8、tedbyProfessorZhangHengThetraditionalin-orbitspacecraftpropulsiontechnologies，advancingfromcold．airpropulsiontosingle／dualelementchemicalpropulsionandtoelectricpropulsion，acquirethelong-termorbitalmane