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航天器异面气动力辅助变轨大气飞行段的最优轨迹
李小龙;陈士橹
【期刊名称】《宇航学报》
【年(卷),期】1995(016)002
【摘要】本文研究航天器利用气动力辅助变轨实现由远地轨道向近地轨道异面转移问题，就航天器利用大气飞行实现减速及轨道平面机动提出了一种考虑过程约束存在时的优化设计方法。
通过方案设计将函数优化问题转换成参数优化问题，并利用美国航天飞机数据进行了模拟计算，得到满意结果。
【总页数】5页(P1-5)
【作者】李小龙;陈士橹
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】V412.41
【相关文献】
1.气动力辅助异面变轨可达范围的判别方法 [J], 林西强;张育林
2.类X-37B飞行器气动力辅助异面变轨性能研究 [J], 左光;和宇硕;石泳;屈峰;侯砚泽;陈鑫;张敏捷
3.初始轨道高度对气动力辅助异面变轨的影响 [J], 和宇硕;侯砚泽;左光;张柏楠
4.近地点高度对气动力辅助异面变轨性能的影响 [J], 林西强;张育林
5.采用Loh近似假设的最优气动力辅助异面变轨研究 [J], 南英;陈士橹
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航天器动力系统控制与设计航天器的动力系统控制与设计是航天工程中至关重要的一环。
动力系统的控制和设计直接影响着航天器的性能、安全性和可靠性。
本文将对航天器动力系统的控制和设计进行详细讨论，包括推进系统、能源系统和姿态控制系统等方面。
一、推进系统控制与设计航天器的推进系统是航天器实现轨道修正、变轨和姿态控制的关键部分。
推进系统的控制与设计需要考虑油门控制、推力控制和燃料消耗等因素。
推进系统的控制算法可以采用PID控制、模糊控制或者自适应控制等方法，以实现航天器推进系统的精确控制。
而推进系统的设计需要考虑燃料储存、推进剂选择、发动机设计和热控制等方面。
推进系统的设计需兼顾系统性能、可靠性和重量等因素，以使航天器在各种环境和任务条件下正常运行。
二、能源系统控制与设计航天器的能源系统是航天器提供电力和热能的重要系统。
能源系统的控制与设计涉及能源供给、能量储存和能量转换等问题。
能源系统的控制需要考虑电力分配、能量管理和温度控制等因素。
控制算法可以采用最优控制、能量管理系统或者智能控制算法，以实现航天器能源系统的高效、自主和可靠控制。
而能源系统的设计需要考虑能量来源、储存方式、能源转换装置和能量回收等方面。
能源系统的设计需兼顾系统的轻量化、高能量密度和长寿命等要求，以满足航天器在不同任务和环境下的能量需求。
三、姿态控制系统控制与设计航天器的姿态控制系统是航天器保持稳定姿态、实现精确定位和控制移动方向的关键系统。
姿态控制系统的控制与设计需要考虑姿态感知、姿态控制和姿态转换等问题。
姿态控制系统的控制算法可以采用PID控制、模型预测控制或者鲁棒控制等方法，以实现航天器的精确姿态控制。
姿态控制系统的设计需要考虑姿态传感器的选择、执行机构的设计和控制状态估计等方面。
姿态控制系统的设计需兼顾系统的精度、稳定性和可靠性，以保证航天器在各种外界干扰和控制任务下的准确控制。
综上所述，航天器动力系统的控制与设计是航天工程中不可忽视的重要环节。
物理必修二卫星变轨知识点卫星变轨是指卫星在轨道中改变自身的轨道参数，以满足不同的任务需求。
卫星变轨技术在现代卫星应用中起着至关重要的作用。
本文将从卫星变轨的原因、方法和应用等方面进行详细介绍。
一、卫星变轨的原因卫星变轨的原因主要有以下几点：1.任务需求：不同的任务对卫星的轨道要求不同，比如通信卫星需要在地球上不同的位置保持良好的覆盖范围，观测卫星需要在不同的轨道高度进行观测等。
2.故障修复：当卫星发生故障时，需要进行修复或更换，卫星变轨可以使得维修人员更容易接近故障卫星。
3.轨道维持：卫星在轨道中受到多种因素的影响，如地球引力、太阳引力、大气阻力等，这些因素会导致卫星轨道发生偏离，卫星变轨可以使轨道得到校正。
二、卫星变轨的方法卫星变轨的方法主要有以下几种：1.推力变轨：通过发射推进剂，产生推力使卫星改变速度和方向，从而改变轨道。
推力变轨通常分为瞬间变轨和连续变轨两种方式。
2.重力助推：利用其他天体的引力对卫星进行助推，实现轨道变化。
重力助推主要包括天体摄动助推和多天体引力助推。
3.空气动力变轨：通过调整卫星的姿态，利用大气阻力使卫星轨道发生变化。
这种方法适用于较低轨道的卫星。
三、卫星变轨的应用卫星变轨的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：1.通信卫星：通信卫星需要覆盖全球不同地区，通过卫星变轨可以实现全球范围内的通信覆盖。
2.导航卫星：导航卫星需要提供精确的定位和导航服务，通过卫星变轨可以实现更好的覆盖范围和定位精度。
3.观测卫星：观测卫星需要在不同的轨道高度进行观测，通过卫星变轨可以实现不同高度的观测任务。
4.科学实验卫星：科学实验卫星需要在特定的轨道上进行科学实验，通过卫星变轨可以实现科学实验的需求。
总结：卫星变轨是一项重要的技术，可以满足不同任务对卫星轨道的需求。
卫星变轨的方法主要包括推力变轨、重力助推和空气动力变轨等。
卫星变轨的应用非常广泛，涵盖了通信、导航、观测和科学实验等领域。
通过卫星变轨，可以实现更好的覆盖范围、定位精度和任务需求。
变换太空船轨道的方法1.引言1.1 概述概述太空船轨道的变换是指改变太空船绕行轨道的过程。
在太空探索和航天技术发展中，太空船轨道的变换是一项重要的任务，它可以实现多种目的，如调整航行路线、改变轨道高度和倾角、以及实施飞越和靠近其他天体等。
为了实现太空船轨道的变换，需要借助于各种技术和方法。
这些方法既包括推力系统的调整，也包括利用引力助推、重力助力和空气动力学力等外力来改变轨道。
太空船轨道变换的方法可以分为两大类：推力变换和无推力变换。
推力变换主要通过调整火箭引擎的工作状态和喷射方向，来改变太空船的速度和运动轨迹。
而无推力变换则依靠引力助推、重力助力和空气动力学力等外力来改变轨道，而不需要使用推力。
推力变换是常用的太空船轨道变换方法之一。
通过点火或关闭火箭引擎，改变推力方向和大小，太空船可以实现速度的增减和方向的调整。
根据太空船的运动需求，可以选择不同的方式进行推力变换，如切向推力、径向推力和法向推力等。
无推力变换则是利用自然力和外力来改变太空船轨道。
引力助推是一种常见的无推力变换方法，通过利用天体的引力场来改变太空船的轨道。
例如，可以通过经过天体的重力助推来实现轨道高度和倾角的变化。
此外，利用多次飞越天体或重叠引力助推的方法，太空船可以实现更复杂的轨道变换。
除此之外，空气动力学力也可以被应用于太空船轨道的变换。
在地球大气层外部，薄薄的大气仍然存在，对太空船会产生轻微的阻力，通过调整飞行姿态和利用大气摩擦力，太空船可以借此实现轨道的变换。
总之，变换太空船轨道的方法涉及多个方面的技术和方法，包括推力变换和无推力变换。
这些方法具有不同的适用场景和优劣势，在太空探索中发挥着重要的作用。
随着航天技术的不断发展，我们可以期待更多创新的轨道变换方法的出现，为未来的太空航行带来更多可能性。
文章结构是指文章的组织框架和呈现方式。
一个良好的文章结构可以使读者更好地理解和把握文章的内容。
本文的结构按照以下方式组织：1. 引言1.1 概述：介绍太空船轨道变换的背景和重要性，概括变换太空船轨道的方法为本文的主题。
神舟飞船如何实现空中变轨与汽车和飞机都靠发动机的推力前进一样，神舟飞船在太空中运行也是靠发动机推动的。
所不同的是汽车和飞机上的发动机是依靠油料与空气中的氧气混合燃烧，产生气体推力，因此，它们都离不开空气中的氧气。
而飞船上的发动机是液体火箭发动机，在没有氧气的太空中飞行，因此，飞船发动机在工作时不需要空气中的氧气，是由一种称作氧化剂的含氧液体提供燃料燃烧所需的氧，或者直接由燃料催化分解产生气体，燃烧气体和分解气体通过喷管喷出产生推力，使飞船能够在没有空气的太空中也能飞行。
神舟飞船上安装了52台发动机，当运载火箭把神舟飞船送入太空后，神舟飞船就得依靠这52台发动机完成飞行任务，是这些发动机推动飞船前进的。
按照担负的任务不同，这些发动机被分别安装在飞船的3个舱段里，组成了3个用途不同的独立的推进系统。
在神舟飞船的推进舱里，安装了28台发动机。
这些发动机承担着飞船的主要推进作用。
飞船进入太空后到飞船离开飞行轨道返回的这段时间前进的动力都由它提供。
其中有四台大发动机和24台小发动机。
4台推力大一点的发动机承担着改变飞行轨道形状和轨道的升高或降低，神舟飞船的飞行轨道需要进行一次由椭圆形变成圆形的改变和几次升高轨道的修正，飞船在最后完成飞行任务要返回地面时，也需通过发动机喷气，所不同的是不是为返回舱提供动力，而是把飞行的速度降下来，这些任务都使用推力大一点的发动机来完成。
其他24台推力小的发动机用来控制飞船的飞行姿态。
当神舟飞船在太空中围绕地球飞行时，由于航天员活动的影响，会给飞船飞行状态带来变化，这就需要及时启动小发动机进行姿态调整，否则，飞船就可能出现倾斜甚至翻滚，影响任务的完成。
在神舟飞船的轨道舱里，安装了16台发动机。
在神舟飞船返回地球减速前，轨道舱将留在太空中工作，这些发动机将用来保持轨道高度和飞行姿态，为此，这16台担负为轨道舱提供动力任务的发动机，将在太空中随轨道舱工作半年以上。
在神舟飞船上的返回舱里，安装了8台发动机。
高中物理航天器变轨问题可以通过力学原理来解决。
变轨是指航天器从一个轨道运行到另
一个轨道的过程，这个过程需要航天器施加一个外力，使其能够改变运动轨道。
变轨的原理是：航天器施加一个外力，使其能够改变运动轨道，从而实现变轨。
这个外力可以是由发动机产生的推力，也可以是由太阳光束或者太阳风产生的力。
变轨的具体实现方法有很多，其中最常用的是由发动机产生的推力。
发动机可以产生一个推力，使航天器能够改变运动轨道，从而实现变轨。
另外，太阳光束或者太阳风也可以用来实现变轨。
太阳光束可以产生一个力，使航天器能够改变运动轨道，从而实现变轨。
太阳风也可以产生一个力，使航天器能够改变运动轨道，从而实现变轨。
总之，变轨是一个复杂的过程，需要综合运用力学原理，结合发动机推力、太阳光束或者太阳风等外力，才能实现变轨。
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、卫星等飞行器之间，他们的变轨可用冲量或连续推力方式，但是耗能比较大，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，尤其是自九十年代以后，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(Aeroassisted Orbit Transfer)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，在整个变轨飞行中插入大气飞行段。
在该段飞行中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要求。
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；在完成轨道平面变换时，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大气层内轨道转移，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变轨方式由于有效的利用了航天器环绕星球上的大气这种自然资源，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大大节省变轨所需的燃料，因此普遍认为AOT是未来空间运输的很重要的手段之一。
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1.2.1气动力辅助变轨过程及应用1961年Howard London在美国宇航学会第二十九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、学者都在从事着方面的研究，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工业大学等单位的部分专家学者已开始重视这项技术研究，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，第一阶段主要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，并最终能逸出大气到达目标轨道。
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目的，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Δv1，使航天器脱离HEO(High Earth Orbit)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Δv2(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(Low Earth Orbit)内切，同时加速度冲量Δv3，完成过渡全过程，如图1-1。
2、星际探测星际飞行中的气动力辅助应用，又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目标轨道，显然，只能应用于有大气环绕的行星，如：火星，当然也可以应用于行星际飞行器返回地球的飞行。
在大气捕获过程中，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，退出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。
大气制动时通过多次穿越大气。
而使航天器的速度利用大气阻力降下来达到制动的目的，其过程大致是：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，为了使航天器既要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景是现代和未来的航天中，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，所以要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更能提高轨道转移飞行器的有效载荷比，这种轨道既有轨道高度的变化，也有轨道倾角的变化，它是三类气动辅助应用的最高形式。
二十一世纪，空间站和高级空间运输系统将成为重要的发展方向，而我国也将独立发展自己空间站和高级空间运输系统，由于气动辅助轨道转移具有节省燃料的强大优势，同时这种变轨方式又适用于轨道转移航天器，因此气动辅助轨道转移的研究是十分必要的，而且具有很强的科学与工程意义。
1.2.2最优大气辅助变轨研究的进展一个航天器在某个星球的大气中飞行，将受到两种自然力：气动力和引力的作用，气动力是因飞行体与大气的相对运动而诱发产生的，包括了星球的旋转和其他因素引起的大气扰动。
气动力还是飞行体的气动外形、飞行速度和高度的函数，因而与逆平方率的引力不同。
这种自然力的作用被人类认识研究并加以利用，对人类文明和科学的演进产生了巨大影响。
19世纪初数学、力学和技术科学的蓬勃发展，促进了宇航科学的发展，人们对气动力的作用有了系统的理论认识，把它作为一个辅助利用来优化飞行体的轨道和最佳控制其飞行，可获得惊人的能量节省。
气动力辅助变轨始于London所写的有关卫星变轨的论文，自此以后，人们对这个问题的研究取得了很大进展。
Vinh在20世纪70年代就开始研究大气层中航天器的运动特性和优化轨道理论。
Walberg于1985年对气动力辅助变轨作了系统全面的总结与评述142篇文献，Mease就气动力辅助变轨的优化问题作了评述，Miele近期就气动力辅助变轨的优化与制导新进展作了较系统的介绍，主要反映他和他的合作者的研究工作，综述了99篇文献。
AOTV的最优大气辅助变轨，在大气飞行段包括再入、大气飞行及逸出大气层等几个阶段，过程比较复杂，而且在宇航工程应用中在产生经济效益方面发挥出越来越大的作用，故引起国内外许多科学家的广泛重视，并开展了大量的研究工作。
Miele提出了大气辅助变轨研究中的9种主要性能指标1、动力变轨的燃料消耗量最小；2、大气飞行段的总加热量最小；3、大气飞行段的飞行时间最小；4、大气飞行段的飞行时间最大；5、大气飞行段弹道倾角平方的积分最小；6、进入与逸出大气层的弹道倾角的平方和最小；7、大气飞行段的峰值热流最小；8、大气飞行段的峰值动压最小；9、大气飞行段的最低飞行高度最大。
前6类性能指标为化为终端型性能指标，后3种性能指标为Chebyshev型性能指标。
Miele和他的同事利用序列梯度恢复法对同面轨道、异面轨道的大气辅助过程进行了大量的计算。
结果表明，对于平面大气辅助变轨，性能指标1和5的最优结果是类似的，对于异面变轨，利用性能指标5得到的结果虽然动力变轨的速度增量与性能指标1相比略有增加，但峰值动压和峰值热流大幅度下降，因此，它提供的结果更为优越。
Vinh和Hull及其他作者，国内哈工大的杨涤、吴瑶华，西工大的陈士橹、吕学富等对大气辅助平面变轨、异面变轨进行了研究，得到了大量的结果。
Vinh和Lu P.推导了采用极大值原理处理Chebyshev问题的方法，将问题化为沿轨道状态变量受约束的问题来研究气动滑行。
Vinh和Mease研究了大气巡航的最优特性，指出这种辅助变轨方式对于大幅度改变近地轨道的倾角是优越的。
Vinh和Ma D.M.对多次通过大气层的变轨过程进行了分析，因为一次通过大气层时，航天器要承受很大的气动加热，而多次通过大气层是一个较好的解决办法，但是，对于载人飞行，考虑到范阿伦辐射带的影响，多次通过大气层时不适合的。
沿飞行轨迹最大加热热流，最大过载受到限制，这是基于结构质量和宇航员的生理条件约束问题，Hiele.Chern和Vinh.Lee和Hull对这一问题进行了研究，国内这方面研究比较少。
在未来的空间交会对接和反卫星武器系统中，气动力辅助拦截和交会将会起到非常重要的作用。
它和一般的变轨不同之处主要在于终端条件，其优化目标也不仅仅局限于燃料消耗最少，有时需要其拦截时间最小或轨道的倾角改变量最大，以及脱靶量最小等，作为一般军事目的的拦截和空间交会国内外研究较多，但是这些研究都不是基于气动力辅助变轨技术。
Horie和Conway研究推力为零情况下的气动力辅助拦截问题，并就时间最小和耗能最小给出数值算例。
但是从军事目的出发，优化目标函数往往是复合的，如时间最小和脱靶最小，以及能耗最小和时间最小。
另外推力协同气动力辅助变轨，对增加拦截和交会AOTV的机动性能和缩短飞行时间将具有现实工程应用意义。
推力协同在气动力辅助变轨中的作用，尽管在20世纪60年代就有人研究过，但是近年来又引起许多科学家的关注，并得到了许多新结论。
Ross和他的合作者以及Park，Caoalino等对气动力辅助机动，协同机动，气动力砰击，气动力巡航机动等的研究，极大地推动了气动力辅助变轨与控制的进展。
气动力辅助变轨技术，已在星际航行得到了广泛应用。
值得进一步讨论的是星际航行中利用星球的大气层，实现辅助引力转弯问题。
气动力辅助引力转弯时20年前美国捧起推进实验室提出的一种气动力辅助变轨概念，用于星际航行变轨。
当带有升力体的飞行器飞过某星球的大气层时，其升力矢量相对星球体中心时，将比纯引力转弯获得更大的速度增量，因而可降低发射能量和缩短飞行时间。
随着星际探测任务被提到日程，对气动力辅助引力转弯的研究越来越深入。
基于气动力辅助变轨的变气动外形飞行器的讨论是作者今年的研究课题之一。
早在20世纪80年代Andrews，Grenich等人实验性地研究充气囊变阻轨道器作为气动制动的AOTV应用于空间运输系统。
这个新概念，近期被俄罗斯宇航界应用到再入飞行器和弹头回收。
航天器的气动外形对在大气层内飞行中的热流、过载和机动性，以及最优成本都有决定性的作用。
但是要满足全面的性能要求，很难找到一个理想的气动外形，特别是一个固定的气动外形飞行器，因而，出现各种类型的带有气动制动器或捕获装置，或可变气囊，或可展的阻力裙，在给定的飞行阶段，来改变飞行器的升阻比L/D和弹道系数，以适应不同飞行任务要求。
