电推进航天器的轨道优化与使命设计

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1、2010年第二届全国深空轨道设计竞赛颁奖暨研讨会，西安，2010.6.22电推进航天器的轨道优化与使命设计TrajectoryOptimizationandMissionDesignofElectric-PropulsionSpacecraft高扬中国科学院空间科学与应用总体部/中国科学院光电研究院主要内容I航天动力学与推进发展史回顾II电推进航天器的发展III电推进航天器的轨道动力学IV小推力转移轨道的经典解析方法V小推力转移轨道的数值优化方法VI小推力转移轨道的全局优化设计VII电推进航天器的使命设计VIII电推进航天器应用前

2、景和研究问题展望太阳系的行星运动1571~16301642~1727开普勒定律牛顿定律+万有引力+微积分μ二体轨道运动：&r&=−r3r引力势函数任意形状、任意质量分布的天体GdM内的质量微元对卫星的引力势能dΦ=r满足牛顿万有引力12任意形状、任意质量分布的天体对卫星的引力势：三重积分•球形谐波函数，描述球形天体的引力场SolutiontotheLaplaceequationll⎡∞∞l⎤μ⎢⎛R⎞()⎛R⎞()()⎥Φ=1−∑Jl⎜⎟Plsinφ+∑∑⎜⎟PlmsinφClmcosmλ+Slmsinmλ.r⎢⎣l=1⎝r⎠l=

3、1m=1⎝r⎠⎥⎦J:zonalharmonic,带谐项系数lC:tessaralharmonic,田谐项系数lmS:sectoralharmonic,扇谐项系数lm所有系数的量级是不同的解析摄动理论的应用•研究围绕天体运动的航天器运动•太阳同步轨道(20世纪50年代)•对地观测卫星的应用（J远大于其他系数项）2•轨道进动速率与地球公转速率一致•月球的引力场相对复杂•嫦娥一号的停泊轨道为200公里的绕月圆形轨道•月球的冻结轨道(稳定的停泊轨道)•100公里的圆轨道只有半年的寿命•带谐项JJJJJ等系数彼此相差不大2，3，4，5，6

4、•围绕小行星的运动，考虑田/扇谐项系数C，Slmlm•摄动理论，小参数的级数展开•分离轨道根数的长期变化和周期变化测量与轨道确定•无线电测距测速•GNSS(全球卫星导航星座)•VLBI(甚长基线干涉)•天文测量•惯性测量•干涉测量(Laser)•轨道计算数值方法•最小二乘拟合•动力学滤波方法天体引力场、天体形状、引力波探测精确的轨道确定引入了广义相对论动力系统理论(DynamicalSystem)•N-体问题：已知N个质点的质量以及初始位置和速度，N个质点后续运动•圆形限制性三体问题•引力平衡点及其稳定性(混沌)•围绕平衡点周期轨

5、道•轨道流形•俘获理论•轨道设计•1992年Hiten飞船从天体力学到航天动力学…..•天体力学是航天动力学的基础•二者的研究有相同的理论基础•区别在于人造航天器可以控制以改变轨道•轨道器、撞击器、拉格朗日点太空望远镜、大气返回舱、小天体着陆器•航天推进技术•轨道的优化设计与控制航天推进•地球是人类的摇篮，但是……•航天飞行不是气球和大炮，是火箭•“喷气反推”齐奥尔科夫斯基(1857~1935)第一宇宙速度:7.80km/s第二宇宙速度:11.2km/s火箭方程:第三宇宙速度:16.7km/s初质量末质量利用火箭方程计算燃料消耗多

6、级火箭推进系统比冲火箭方程:比冲：表征喷射物的速度，推进效率初质量末质量航天推进的种类•喷气反推，满足火箭方程•外部动量，可以不消耗工质，受力范围有限•“喷气反推”仍是飞的“更高更远”的主要推进方式•合理应用“外部动量”方式太阳帆，太阳光压绳系卫星，洛仑兹力冷气推进、化学推进、电推进•冷气推进相对简单可靠，但比冲低•化学推进器－传统、成熟的技术大推力、比冲低•电推进器(小推力)－得到验证¾高比冲，持续推进，¾利用热能，太阳能，核能¾第一个深空电推进飞船：深空1号NASA1998比冲与工质消耗电推进发动机主要可以分为三个大类：电热式

7、(electrothermal)：化学推进的增强形式电磁式(electromagnetic)静电式(electrostatic)电磁式和静电式电推进技术的内容主要包括两点：其一是如何实现工质电离，其二是如何使电离后的等离子体获得能量向外喷出。技术类型推进工质功率比冲推力电热、电弧肼百瓦-千瓦300~600s几百毫牛霍尔效应氙、氪千瓦量级1500s以上几十毫牛离子推进氙千瓦量级2000s以上几十毫牛FEEP液态铯百瓦5000s以上微牛量级VASIMR氙万瓦-兆瓦5000s以上牛顿~百牛量级电推进航天器的应用NASADeepspace

8、1,19982003ESAJAXAHayabusa，2003ESAGOCE,2009核动力飞船NASAJupiterIcyMoonorbiter2009年10月，俄罗斯宣称打算制造Future核动力宇宙飞船2010年，奥巴马宣布取消“重返月球”计划