典型任务气动辅助变轨节省燃料的条件分析

对HEO-LEO(高地轨道-低地轨道)共面变轨和HEO-LEO异面变轨两个典型任务剖面进行了分析。通过引入理想气动辅助变轨假设,比较了气动辅助变轨和直接变轨所需的速度增量,得出气动辅助变轨节省燃料的条件。

UKF参数估计在航天器气动辅助变轨问题中的应用

为快速精确地求解气动辅助变轨问题,提出一种基于无损卡尔曼滤波(UKF)参数估计的数值求解方法。首先,针对气动辅助变轨问题,利用极大值原理将其转化为对应的两点边值问题;然后,以协态变量的初值作为估计参数,以末端条件为期望观测值,将该两点边值问题转化为参数估计问题,并应用UKF滤波算法求解。该算法基于估计理论,避免了计算传统数值方法所需要的梯度矩阵,同时克服了猜测协态变量初值的困难,降低了求解气动辅助变轨问题的难度。数值仿真表明,该算法结构简单,求解效率高,具有良好的鲁棒性。

过载限制下气动力辅助变轨的最优解与平衡滑行解

基于庞特里亚金最大值原理 ,获得了最优飞行轨迹中升力系数和滚转角的表达式以及平衡滑行解。平衡滑行中航迹角很小并且保持近似恒定。在数值优化计算中 ,初始值的估计是非常困难的。由于平衡滑行附近的近似解与精确最优解是很接近的 ,这意味着可以以平衡滑行解作为优化分析中的初始值 ,从而克服了初始值估计的难题。

气动辅助异面变轨在多碎片清除中的应用分析

碎片清除飞行器异面变轨需要消耗大量燃料.从气动辅助异面变轨优化设计及被清除碎片轨道高度差值、倾角差值等参数对变轨性能的影响出发,比较分析了优化气动辅助异面变轨与双脉冲霍曼轨道转移的燃料节约量,研究了不同轨道高度差对于实施气动辅助变轨燃料节约量的影响.当地球静止轨道(GEO)与低地轨道(LEO)间气动辅助变轨优化速度增量约为1.55 km·s^(-1)、质量面积比172 kg·m^(-2)、比冲310 s、轨道倾角变化16°时,燃料节约率约为45%.对比研究了不同轨道高度差LEO轨道间实施气动辅助变轨的燃料节约情况.结果表明:随着轨道高度的增加,气动辅助优化效率逐渐降低;在相同高度轨道间实施异面变轨,随着轨道倾角的增加,气动辅助变轨燃料节约率先增大后减小,倾角改变量约为20°时,燃料节约率最大;当轨道倾角为5°时,采用气动辅助变轨和双脉冲变轨的燃料消耗量相同.

气动力辅助变轨的数值模拟

采用了航天器在行星上层大气中进行高超声速飞行时的轨道动力学方程,针对航天器从地球静止轨道转移到一个共面圆形低地轨道的变轨过程,进行了气动力辅助变轨过程的模拟。在变轨过程中,航天器从地球静止轨道开始,经过8次大气路径,耗时43.7小时,到达圆形低地轨道,与霍曼转移进行对比,其所消耗的推进剂质量仅为霍曼转移的41%。研究结果表明:气动力辅助变轨技术能够在降低推进剂消耗的情况下实现航天器的轨道转移。

航天器异面气动力辅助变轨大气飞行段的最优轨迹

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。

气动力辅助异面变轨可达范围的判别方法

航天器进行气动力辅助异面变轨时 ,确定可达范围 (变轨结束时的倾角和升交点赤经 )是一个十分重要的问题。文中利用坐标变化法 ,得到了由初始轨道倾角为 0时的倾角改变量 ,确定任意初始倾角下可达范围的公式 。

热流限制下的最优气动力辅助变轨

以变轨能量消耗最小为优化目标，应用极大值原理研究了飞行过程受热流限制和升力系数约束下的气动力辅助共面变轨问题。飞行过程分成第一自由弧段、约束弧段、第二自由弧段三个部分，讨论了升力系数的最优表达式，分析了飞行过程中两种约束的相互作用，给出了约束弧段起始位置的角点条件和终端的横截条件，对不同的初值选取方法讨论了三种计算策略，并给出了数值算例。

气动力辅助变轨的制导研究进展

作为低成本飞行的气动力辅助变轨是当前和未来的空间和星际探测任务的一个重要策略。基于最优变轨的精度、稳定性和鲁棒性的要求 ,促进了大气飞行的制导发展。尽管最优变轨要遵循性能指标、控制余度或性能和控制余度的组合指标要求来进行 ,但是实际上可把变轨弧段分成两部分 ,再入后可采用平衡滑行 ,以获得最佳性能要求 ;逸出前的弧段则采用升力降的轨道 ,可增大逸出后近地点的高度 ,而使在希望到达的远地点的速度冲量最小。按照这种升力调制控制原则 ,讨论了 3种制导方法 :即预测校正法、显式制导法和能量控制器法 。

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 。

设计参数对气动力辅助异面变轨性能的影响

较全面地研究了利用气动力辅助异面变轨时的两个设计参数 ,即质量面积比和最大升力系数对变轨性能的影响。利用序列二次规划方法 ,考虑了最大热流限制 ,建立了优化模型。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 ,指出对较小的倾角改变量 ,可通过降低质量面积比或提高最大升力系数来满足变轨能力要求 ,当倾角改变量较大时 ,应以降低质量面积比为主。

考虑气动效应不确定性的气动辅助变轨制导算法

气动辅助变轨技术在节省推进、延长航天器寿命等方面具有可观的应用价值,但工程实践却严重受制于气动效应不确定性,因此,设计了针对气动效应不确定性的SMC-H2/H∞鲁棒制导算法.算法基于高斯伪谱法获取的标称轨迹和控制序列,通过构建气动效应的不确定性模型,利用奇异摄动理论将气动辅助变轨飞行器动力学划分为位置和速度回路,设计滑模和鲁棒H2/H∞控制器分别实现制导控制.进一步,通过MatLab/xPC和飞行器机载计算模块组成的实时仿真系统验证,所设计鲁棒制导算法在计算复杂度满足工程约束前提下,能够在存在气动效应不确定性的场景下实现标称轨迹的跟踪,表明所设计的鲁棒制导算法能够有效地增强系统的鲁棒性,具有重要的工程应用价值.

微小卫星的气动力辅助变轨优化设计

采用伪谱法对微小卫星气动力辅助变轨问题进行研究,在考虑热流限制、控制约束的条件下进行优化设计,得到微小卫星气动力辅助变轨的最优控制解。在此基础上,通过改变转移轨道的近地点高度,得到卫星的另一组飞行轨迹。比较这2组飞行轨迹,分析了转移轨道近地点高度对气动力辅助变轨的影响:近地点高度越高,依靠气动力辅助所能改变的轨道倾角越小,但是可以减小飞行过程中的最大过载、最大动压和最大驻点热流,因此在微小卫星的总体设计中应该综合考虑任务需求来确定转移轨道近地点的高度。

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。

气动力辅助椭圆轨道转移技术研究

研究了两种共面椭圆轨道最优转移方法——基于单纯推力的双脉冲对称转移和基于气动力辅助变轨技术的协同机动方法。推导了双脉冲对称转移问题中转移椭圆轨道的求解公式,采用遗传算法求解最优变轨点位置,给出了变轨脉冲的计算方法。将气动力辅助对称转移过程分为3段:真空飞行段、大气飞行段、真空飞行段。以能量最小为性能指标,将大气飞行段轨迹优化问题转化为标准最优控制问题模型,并利用Gauss伪谱法进行求解,得到"巡航+滑行+巡航+滑行"的大气最优飞行轨迹。最后对两种转移方法进行详细比较,指出初始椭圆轨道近地点越接近大气层,气动力辅助对称转移方法比双脉冲对称转移方法越节省能量。

航天器多次再入气动巡航变轨

对航天器多次再入地球大气气动巡航控制方案进行了研究,通过分析高层大气密度的变化特性,结合气动辅助变轨的优化控制策略,引入多次再入大气变轨技术和气动巡航技术,运用高斯伪谱法优化气动巡航推力控制策略,从而实现航天器大范围倾角机动。仿真结果表明,多次再入大气航天器气动巡航技术可以在实现大范围倾角机动的同时,相对于纯推力变轨还能节省大量燃料,并且相对于单次以及多次的轨道再入,多次再入气动巡航技术不仅降低了航天器表面热流密度的峰值,在轨道倾角机动能力上也有提高。

X-37B的发展现状及空气动力技术综述

X-37B的研制和试验国内外一直高度关注。X-37B作为跨大气层飞行器,从空气动力技术角度分析其研究工作很有意义。介绍了X-37B的发展历程,分析了战略用途,并重点介绍了涉及的一些关键气动技术,如气动布局设计优化、气动舵面/RCS/OMS复合控制设计、热防护技术、气动辅助变轨技术等,对其利用三大手段开展的研究工作也作了简要介绍,最后简要总结了X-37B研制过程中的一些经验教训。

基于碰撞能量转移的空间碎片移除新方法

碰撞能量转移方案的基本思路是通过准弹性碰撞将碎片携带的部分能量转移到航天器,在完成碎片降轨任务的同时,推动航天器完成轨道转移,移除更高轨道的碎片。进一步,采用气动力辅助变轨方式调整航天器轨道参数,促使航天器与目标碎片多次碰撞,从而减小碰撞速度差。首先介绍了利用碰撞能量转移方案移除碎片的航天器的结构组成、工作机理和关键技术,然后对影响对心碰撞和非对心碰撞的因素进行分析研究,找出对航天器携带弹性捕网的性能要求低、适合多次碰撞的区域。