航天器气动力辅助变轨方法研究2

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1、航天器气动力辅助变轨方法研究1.1研究的背景和意义未来的载人空间站系统是以空间站为核心，由同轨平台、极轨平台、自由飞行卫星及空间交通工具——轨道机动飞行器组成。轨道机动或转移航天器往返于空间站与平台、卫星等飞行器Z间，他们的变轨可用冲量或连续推力方式，但是耗能比较人，而气动力辅助轨道转移可成为节省燃料的变轨方案。气动力辅助轨道转移概念的提出始于六十年代，1961年H.London在美国宇航学会上正式提交了一份论文，论证了气动力辅助轨道转移的意义与可行性。自此揭开了气动力辅助轨道转移研究的序幕，四十多年来，世界各航天器气动力辅助变轨方

2、法研究国的许多专家学者都参与了这一具有重大发展前景的课题的研究，尤其是口九十年代以后，关于气动力辅助轨道转移的研究掀起了一个热潮，从各个方面对气动力辅助轨道转移问题进行了研究。AOT(AeroassistedOrbitTransfer)的概念最早由London提出的，并由其论证了实现的可行性。所谓气动力辅助轨道转移，是把纯冲量变轨与气动力变轨结合起来，在整个变轨飞行屮插入大气飞行段。在该段飞行小借助气动力完成部分变轨(改变轨道平面或高度)，最终以最小耗能等技术指标完成全部变轨耍求。气动力辅助变轨与冲量变轨或者连续推力变轨比较，主要差

3、别是：在完成高能量到低能量轨道转移时，前者能量消耗主要靠气动力，后者主要靠燃料的喷射；在完成轨道平而变换时，前者以气动力为辅助手段完成部分轨道倾角变化，后者主要靠燃料的反作用改变倾角；在设计转移轨道时，前者需要有意插入一段人气层内轨道转移，后者则无此要求。气动力辅助变轨主要适用于低地轨道和同步地球轨道或者其他深空高轨道之间的往返联系以及大轨道平面倾角变化的异面轨道变轨。AOT变轨方式出于有效的利用了航天器环绕星球上的大气这种口然资源，借助气动力减少了燃料消耗，从而使飞行器获得了较大的有效载荷比。由于这种变轨方式可以人人节省变轨所需的

4、燃料，因此普遍认为AOT是未来空间运输的很重要的手段Z-o我国将要发展先进的空间运输系统，利用以上技术会带来巨大的经济效益。因此这也就是研究气动力辅助轨道转移这个课题的原因。1.2气动力辅助变轨发展121气动力辅助变轨过程及应用1961年HowardLondon在美国宇航学会第一十九届年会上正式提交了一份论文，论证了应用AOT的意义和可行性。四十多年来，美、欧等国家的许多专家、学者都在从事着方而的研究，在我国这项技术还处于起步阶段，在近些年来，哈尔滨工业大学、北京航空航天大学和西北T业大学等单位的部分专家学考已开始重视这项技术研究，

5、并取得了一定的研究成果。在对气动力辅助轨道转移的研究主要集中在两个方面，第一阶段主耍针对气动力辅助轨道转移的最优轨迹的研究，第二阶段是气动力复转轨道转移的最优控制律的研究。由于在AOT变轨过程中插入了大气段飞行，故必须制定适当的控制律控制，使OTV在大气内完成相应的变轨要求，并最终能逸出人气到达日标轨道。气动力辅助变轨的应用主要有三个方面：1、气动力辅助轨道变换轨道平面变换是气动力辅助轨道研究的最初研究冃的，也是最早提出的，典型的最优脱离轨道变轨如下：首先，由特征点a加一反向冲量心1,使航天器脱离HEO(HighEarthOrbit

6、)进入转移轨道，转移轨道内切HEO于特点a,在大气边界特点b进入大气层，利用升力控制卫星在大气层内的飞行，使之在c点冲出大气层，同时在c点施加第二个速度冲量Av2(如果速度足够，c点可以不加冲量)，使航天器运行至d点并于LEO(LowEarthOrbit)内切，同时加速度冲量Zv3,完成过渡全过2、星际探测星际飞行屮的气动力辅助应用，乂可以分为不同的两类：大气捕获和大气制动。二者都是利用气动力使飞行器获得必要的速度衰减，航天器从双曲线接近轨道进入绕行星的H标轨道，显然，只能应用于有大气环绕的行星，女m火星，当然也可以应用于行星际飞

7、行器返回地球的飞行。在大气捕获过程屮，航天器有很大的升力速度进入行星大气层，用滚动调节获得常值阻力，从而产生速度衰减，退岀大气后用一个小火箭圆化，大气捕获对未来的火星探测是必须要应用的。人气制动时通过多次穿越人气。而使航天器的速度利用人气阻力降下来达到制动的目的，其过程人致是：首先制动火箭点火，使航天器从接近轨道进入高扁率的椭圆轨道，通过多次穿越外层大气而使轨道逐渐圆化，为了使航天器既耍获得足够的阻力用以衰减速度，又要避免产生过大的空气动力加热，每次穿越大气后在远地点都要修正火箭点火，保证近心点高度。3、地球轨道转移地球轨道转移的背

8、景是现代和未來的航天屮，需要把航天器或其他载荷从地球低轨道的运行系统如航天飞机，空间站等，运送到地球高轨道运行的飞行器。由于这些载荷可能包括宇航员等有生命的载荷，所以耍求轨道转移航天器应具有可重复使用的能力，同时利用气动力辅助轨道转移