气动力辅助异面变轨控制研究

研究了利用气动力辅助异面变轨时的控制问题。从分析系统方程的特点出发 ,将整个控制过程分为两部分 :第一部分是一个跟踪问题 ;第二部分为一高度调节问题。选用变结构控制方法 ,控制求解时使用了优化趋近法。

近地点高度对气动力辅助异面变轨性能的影响

研究了利用气动力辅助异面变轨时初始降轨段的近地点高度对变轨性能的影响 ;利用序列二次规划方法 ,考虑了最大热流限制 ,通过对最大倾角改变量和最少特征速度两类问题的优化计算 ,指出随着近地点高度的增加 ,变轨调节能力下降 ,对初值的鲁棒性变差 ;而所需最少特征速度与要求的倾角改变量有关 。

类X-37B飞行器气动力辅助异面变轨性能研究

X-37B是美国波音公司制造的一种可重复使用无人升力体飞行器,其具体任务一直备受关注和猜测。X-37B轨道试验飞行器曾多次进行轨道面内和面外机动。外界猜测X-37B可能降低轨道高度,进入有稀薄大气的高度,利用气动力大幅度横跨轨道飞行。文章分析了气动力辅助异面变轨的过程,其中在大气层内飞行段通过调整倾侧角实现侧向机动,从而改变轨道倾角。利用计算流体动力学软件计算其在高马赫数值下的气动力,为大气层内飞行动力学模型提供输入,推导气动力辅助异面变轨特征速度和推进剂消耗量的计算方法。针对不同再入角进行气动力辅助异面变轨仿真,计算轨道倾角改变量、特征速度和推进剂消耗量,并与冲量变轨比较。结果表明:类X-37B飞行器气动力辅助变轨在理论上具备一定改变轨道倾角的能力,但比冲量变轨消耗更多推进剂,变轨过程所需时间较长,相比于冲量变轨难度增大,工程实施可行性值得商榷。

初始轨道高度对气动力辅助异面变轨的影响

气动力辅助变轨技术可以有效利用大气资源,借助气动力作用减少推进剂消耗,有可能成为未来有大气行星进入/再入飞行的重要手段之一。文章针对改变轨道平面的变轨过程,进行气动力辅助异面变轨分析,探讨了初始轨道高度对气动力辅助异面变轨性能的影响。计算气动力辅助变轨特征速度,并与冲量变轨所需消耗能量进行比较。研究结果表明:气动力辅助异面变轨推进剂消耗量与升阻比呈非线性变化,当升阻比大于某一数值时,气动力辅助异面变轨在一定初始轨道高度区间内能够节省推进剂。文章的研究成果可为有翼再入航天器的研制提供依据,为气动力辅助变轨的工程应用提供技术参考。

基于转移时间约束的异面圆锥曲线变轨算法

在圆锥曲线转移轨道Lagrange方程的基础上,分析了双曲线和多圈飞行椭圆轨道的转移时间与半长轴的几何关系,以及椭圆转移问题的虚焦点位置对长程、短程轨道的约束。给出了一种与初始速度方向相关的转移角定义,以及一种基于Lagrange方程的圆锥曲线变轨计算方法,随后提出了一种以半长轴为迭代变量的变轨算法。通过异面椭圆和双曲线转移两个实例,验证了该算法与Vaughan算法具有相同结果,并具有明确的几何意义。

气动砰击异面辅助变轨轨迹优化问题研究

对LEO-LEO轨道转移任务对航天器气动砰击异面辅助变轨的轨迹优化进行了研究。在优化求解过程中将大气层内的无动力下降段轨迹与之后三段轨迹分开考虑而转为二层优化问题。分析了气动砰击异面辅助变轨的燃料消耗,讨论了不同发动机最大推力对大气层内的飞行轨迹、飞行速度、驻点热流等的影响。仿真结果表明:气动砰击异面辅助变轨在降低燃料消耗、解决飞行器热防护问题,以及提高航天器轨道机动能力上有较大的优势。