太阳帆日心定点悬浮转移轨道设计

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1、V01．23No．3航天器工程第23卷第3期!!量呈垒篁兰篁垦垒呈三兰些鱼!些兰兰垦!些鱼!!!!篁!旦太阳帆日心定点悬浮转移轨道设计罗超1郑建华(1中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)(2中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190)摘要研究了太阳帆航天器日心定点悬浮轨道(HFDO)的转移轨道设计问题，以球坐标形式建立了太阳帆的动力学模型，基于该模型给出在日心悬浮轨道基础上实现定点悬浮的条件，提出了一种实现日心定点悬浮的转移轨道设计方法。首先，确定定点悬浮的位置；然后，设计经过该位置的绕日极轨轨道；最后，实施轨道减速实现定点悬浮，并给出了解析形式的轨道控制律。结合太阳极

2、地观测任务，设计了定点悬浮在太阳北极1AU处的太阳帆转移轨道。仿真结果表明：该轨道转移方案总耗时3．5年，太阳帆定点到黄北极距日心1AU处，此后只要保持太阳光垂直照射帆面，即可维持稳定的悬浮状态。关键词太阳帆；日心悬浮轨道；轨道设计；定点悬浮中图分类号：V412．4文献标志码：ADEI：10．3969／j．issn,．1673-一8748．2014．03．003SolarSailTrajectoryDesignforTransferringHeliocentricFixedDisplacedOrbitLU0Cha01ZHENGJianhua2(1InstituteofMannedSpacecr

3、aftSystemEngineering，ChinaAcademyofSpaceTechnology，Beijing100094，China)(2CenterforSpaceScienceandAppliedResearch，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)Abstract：ThispaperinvestigatesthetransfertrajectorydesignforsolarsailHFDO(heliocentricfixeddisplacedorbit)．Theconceptionofheliocentricdisplace

4、dorbitisdescribed，andtheorbitalequationsinsphericalcoordinatesaregiven,．Theconditionsforstaticequilibriaareidentifiedbasedontheequations．AmethodofsolarsailtrajectorydesignisproposedfortransferringHFDO．．Firstly，thefixeddisplacedpointisconfirmed．Secondly，thesolarpolarorbitisdesigned．．Thirdly，theorbitv

5、elocityisdecreasedtoreachthefixeddisplacedpoint，andanana—lyticorbitcontrolmethodispresented。SolarpolarregionobservationmissionisdesignedandsimulatedasaHFDOexample．which】Levitatesasolarsailspacecraft1AUabovetheeclipticnorthpole．TheresultsshowthatthetrajectorydesignmethodcanrealizethetransfertOHFDOin3

6、．5years,．Keywords：solarsail；heliocentricdisplacedorbit；trajectorydesign；fixeddisplacedpoint收稿日期：2013—07—31；修回日期：2013—09—27基金项目：国家自然科学基金(40574070)作者简介：罗超，男，博士，工程师，从事航天器动力学与控制研究工作。Email：luochaocasc@163，com。第3期罗超等：太阳帆日心定点悬浮转移轨道设计1引言太阳帆航天器是一种利用太阳光压获得推进力进行宇宙航行的新型飞行器，被认为是未来人类探索深空的有效手段。太阳帆航天器与传统的采用化学推进的航天器

7、最大区别在于，它不需要携带燃料，在太阳光压作用下可以持续加速，最终达到传统航天器5～10倍的速度。高性能的太阳帆可以实现一些具有特殊科学意义的非开普勒轨道，日心悬浮轨道就是其中很具有代表性的一类轨道。文献[1]提出太阳帆在太阳光压作用下能够悬浮在黄道面的上方或下方，且轨道为周期性轨道，称这类轨道为日心悬浮轨道。由于日心悬浮轨道完全脱离了黄道面，且轨道面不包含中心天体太阳，对日观测将不受黄道面内小天