利用气动力的大气制动过程中近心点高度控制

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1、2015年3月第41卷第3期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMarch2015V01．41NO．3http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0197利用气动力的大气制动过程中近心点高度控制季英良，朱宏玉4，杨博(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：针对大气制动轨道转移过程中出现的近心点下降问题，给出了一种利用气动力实现近心点高度控制的方法．设计

2、了以倾侧角为控制变量的大气内飞行控制律，并参考相关星际探测任务进行了仿真验证．通过改变倾侧角调整气动力在高度方向上的分量来实现对制动轨道近心点高度的控制，并根据当前近心点高度与预定近心点高度自动调整反馈增益．在整个大气制动过程中本方法无需燃料消耗即可有效地限制近心点下降并最终减少下降量，同时使飞行过程中的最大动压和最大热流密度逐渐降低，保证了航天器的安全．关键词：航天器轨道；轨道转移；大气制动；近心点控制；倾侧角控制中图分类号：V412．4+1文献标识码：A文章编号：1001-5965(2015)03-0517-06利用大气阻力实现制动变轨可以节省燃料．

3、已有多次星际探测任务用到了大气制动技术，如Magellan，MarsGlobalSurveyor，MarsOdyssey及MarsReconnaissanceOrbiter¨⋯．从实际探测任务来看，大气制动技术的确可以节省可观的燃料．随着航天技术的发展，大气制动中的控制问题得到了国内外学者关注H⋯．文献[4]研究了单次穿越大气的控制问题．文献[5]给出了一种用于大气辅助变轨的显式制导方程．实际大气制动过程中，随着航天器穿越大气的次数增加，轨道的远心点和近心点不断降低¨1．近心点降低会带来负面影响：一是近心点过快降低会导致热流密度增加、动压增大等一系列危及

4、航天器安全的问题；二是增加了退出大气制动时提升近心点所需的燃料消耗．对于这一问题，已有的解决方案大体分为两种：一种是通过提高大气制动开始时的近心点高度来保证制动末期近心点高度满足要求，其代价是延长了大气制动所需的时间；另一种是通过对近心点高度预测，必要时在远心点实施额外的轨道调整动作，其代价是增加了燃料消耗¨叽13o．笔者针对大气制动过程中近心点降低的问题，给出一种无需燃料消耗即可控制轨道近心点高度的方法．该方法通过改变倾侧角调整气动力在高度方向上的分量来实现对近心点高度的控制，并且根据当前近心点高度与预定高度的差值自动调整反馈增益．仿真结果显示，此方法

5、可以在整个制动过程中限制轨道近心点下降，并最终减少降低量，不但解决了近心点下降引起的额外燃料消耗问题，还保证了航天器的飞行安全．1航天器质心运动方程无推力且不考虑大气随中心天体运动的情况下，航天器在大气中的运动方程可解耦为横向运动方程和纵向运动方程”1．以倾侧角作为控制变量，横向运动和纵向运动可分开控制．由于近心点下降与纵向运动有关，因此只讨论纵向运动方程：收稿日期：2014-04-09；录用日期：2014-05-08；网络出版时间：2014-06-2717：33网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／doi／lO．13700／j．bh．100

6、1—5965．2014．0197．html基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272028)作者简介：季英良(1990一)，男，山东莒县人，硕士生，jiyinglian9369@126．corn}通讯作者：朱宏玉(1976一)，男，河北定州人，讲师，09190@buaa．edu．ca，主要研究方向为航天器动力学与控制．引用格式：季英良，朱宏玉，杨博．利用气动力的大气制动过程中近心，点高度控制ⅣJ．北京航空航天大学学报，2015，4I(3)：517．522．JiYL，ZhuHY，YangB．Perigeealtitudecontrolusingaero

7、dynamicforceduringaerobrakingfJJ．JournalofBeijlngUnivcr-sityofAeronauticsandAstronautics，2015，41f3)：517—522(inChinese)．北京航空航天大学学报2015年÷=“siny律与参考高度变化律的差作为反馈，可得：式中，r为航天器轨道矢径；”为航天器飞行速度；y为轨迹倾角；D为气动阻力；￡为气动升力；盯为倾侧角；m为航天器质量；g为重力加速度，满足g=肛／r2，p为中心天体引力常量．气动力满足r寺％咖2(2)I￡=÷c筇移2式中，C。，C。分别为阻力

8、系数和升力系数；S为航天器有效面积；p为大气密度．采用以下变量：一。㈠F2M=蠹