高层大所模型对空间站轨道漂移和寿命的影响分析

本文以轨道摄动分析方法一阶理论为基础，其中大气阻力摄动采用数值积分方法，给出一种可利用各种大气模型进行轨道摄动分析的计算方法，并利用三种高层大气模型（ＣＩＲＡ－７２，ＣＩＲＡ－８６和ＤＴＭ）和三个太阳活动水平（Ｆ１０．７＝１００，１５０和２００）分析比较了大气阻力摄动对高度为４００ｋｍ的空间站轨道漂移和寿命的影响，以及估算修正轨道漂移所需的能量。给出的定量分析结果将为空间站或航天飞行器的轨道设计和     

一种利用面质比调整提高编队构形稳定性的方法

分布式卫星编队构形受大气摄动的影响会产生沿航迹方向的相对漂移。通过合理的面质比调整,可以降低漂移,提高构形稳定性。基于包含周日效应的大气密度模型,研究了编队卫星轨道能量耗散的差异,进而指出大气摄动引起的构形漂移与构形初始相位、以及轨道面和太阳密度周日峰方向夹角之间存在的关系。给出解析形式和数值方式2种面质比调整方法,并对后一种方法进行了仿真。仿真结果显示,利用文中给出的面质比调整方法,能够大大提高构形的稳定性。     

长期在轨运行卫星的轨道维持技术

本文研究近地轨道卫星长期在轨运行的轨道维持问题。轨道维持的任务是将卫星的星下点轨迹保持在设计的参考轨迹附近。近地轨道卫星所受的摄动力包括地球引力摄动、日月摄动、大气阻力摄动和光压摄动等,而影响卫星轨道星下点漂移的主要因素是大气阻力摄动。本文给出了一种新的卫星轨道维持策略,数学仿真表明了其有效性。     

大气阻力摄动对卫星编队飞行队形的影响分析

为了分析大气阻力摄动对卫星编队队形的影响,利用相对轨道根数法推导了包含大气阻力摄动的卫星编队相对运动的状态转移方程。仿真结果表明当几何形状和质量不同的两颗卫星在低轨道做编队飞行时,大气阻力摄动对编队队形的影响很大而不能忽略;当主卫星的半长轴相等时,主卫星轨道的偏心率越大编队飞行受大气阻力摄动的影响也越大;大气阻力摄动主要影响编队飞行迹向相对距离。     

基于J2项和大气阻力摄动的卫星编队保持方法研究

研究J2摄动和大气阻力对低轨编队卫星相对位置的影响,在此基础上给出一种编队保 持方案。文中定量分析了J2摄动对编队卫星三轴相对位置的影响,给出了大气阻力对编队 卫 星相对轨道要素影响表达式。在同时考虑两种摄动力前提下,推导给出了x方向受摄动 的漂移量Δx与编队卫星轨道长半轴之差Δa的周期变化量之间的解析关系式,基于 该关系式,设计了单边极限环形式的卫星长期编队保持控制方案。最后通过数学仿真验证了 该方案的可靠性,仿真结果与理论分析相符。该控制方案在计算控制量时只需知道编队卫星 的轨道长半轴之差,容易实现,为工程实践提供依据。
     

分布式卫星轨道构形的大气摄动分析及修正方法

在低轨道运行的分布式卫星受大气摄动的影响,其轨道构形很快遭到破坏,环绕卫星的相对运动轨迹中心不断发生漂移。本研究的目的在于建立一种降低大气摄动对分布式卫星轨道构形影响的补偿方法,以使分布式卫星的轨道构形能够更好地自然维持。研究基于考虑高度变化和太阳周日变化的大气密度模型,得出分布式卫星不同初始相位环绕卫星的长半轴摄动方程。并提出一种补偿大气摄动影响的长半轴修正方法。仿真结果显示,采用此大气摄动补偿方法能够在给定时间内大大降低大气摄动的影响,从而显著提高分布式卫星轨道构形的自然维持能力。     

地球卫星动力学定轨中摄动模型的选取

地球卫星动力学定轨中需要依据卫星轨道高度考虑不同的摄动项,以提高定轨精度。针对这一需求,分析了不同轨道高度下卫星所受的地球非球形、日月引力、太阳光压和大气阻力4种摄动项对二体模型的校正量,数值仿真表明实验结果与摄动项的力学分析相吻合,另外,给出了地球卫星动力学定轨中不同轨道下卫星摄动项的选取原则。     

倾角偏置太阳同步轨道的地面轨迹保持方法

为在倾角偏置条件下保持太阳同步轨道卫星的地面轨迹,在考虑地球扁率摄动、大气阻力摄动和太阳引力谐振等主要影响因素,以及卫星地面轨迹允许漂移范围的基础上,采用主动超调与被动控制结合的策略,提出了一种初始半长轴偏置后的卫星地面轨迹保持方法。分析了半长轴和倾角摄动变化率,以及初始半长轴和倾角偏置量对地面轨迹漂移的影响。仿真结果表明,该法可基本满足设计阶段的精度要求。     

欧洲的轨道救生艇：空间站上航天员安全返回方案

欧洲的轨道救生艇──空间站上航天员安全返回方案早在１９８７年，为向自由号空间站上的航天员提供安全返回飞行器（ＡｓｓｕｒｅｄＣｒｅｗＲｅｔｕｒｎＶｅ－ｈｉｃｌｅ，以下简称ＡＣＲＶ，即轨道救生艇），美国就已提出了其ＡＣＲＶ的基本设计要求，现在这些要求已被...     

空间摄动对InSAR卫星编队的影响研究

针对干涉合成孔径雷达(InSAR)编队卫星的特点,分析了地球形状、大气阻力、第三体引力和太阳光压等空间摄动力对卫星轨道的影响,并仿真讨论其对编队构型的影响。结果表明:地球形状摄动和大气阻力摄动是引起InSAR编队构型变化的主要摄动因素,在这些摄动力的作用下,编队构型的变化主要是沿航迹向的累积变化和编队椭圆的空间指向变化两种,并给出了编队构型随时间的变化量。研究为编队保持控制提供了参考。     

低轨Walker星座构型演化及维持策略分析

针对低轨(LEO)Walker星座构型维持问题，分析在地球非球形引力和大气阻力摄动下卫星的运动规律及星座构型演化特性。结果表明，低轨Walker星座构型发散主要体现在由初始轨道参数不一致引起的轨道高度衰减和相位漂移，国内首例低轨Walker星座实测轨道数据验证了理论分析的正确性。结合星座任务特性与构型发散特点，提出了基于基准卫星的相对相位维持策略，选取一颗卫星作为基准卫星，使星座中其它所有卫星相对于基准卫星的相位漂移量累加值最小，通过对目标卫星实施一次相对基准卫星的轨道高度抬升/降低，维持星间的相对位置关系。实际工程应用表明了此策略的有效性，不仅降低星座构型维持的复杂度及频次，节约燃料，且轨控时间短，为我国今后卫星星座的构型维持提供参考。     

国外航天器推进剂在轨吹除技术跟踪研究

受大气阻力的影响,空间站长期在轨的轨道维持需要消耗大量的推进剂,因此有必要进行推进剂补给。而补给结束后的管路内残留推进剂在轨吹除,是保障空间站任务安全的必要条件。文章对国外航天器液体真空排放的研究现状进行了跟踪,重点就液体温度、压力、饱和蒸气压、液体中气体含量以及喷口尺寸外形等因素对液体排放特性的影响进行了分析和评价。在国外跟踪调研的基础上,对我国开展空间站推进剂在轨吹除的研究提出了启示。     

Electrostatically inflated gossamer space structure voltage requirements due to orbital perturbations

This paper explores the concept of using electrostatic forces for deployment of gossamer space structures. The Electrostatically Inflated Membrane Structure (EIMS) uses two conducting membranes that are interconnected through membrane ribs. An absolute electrostatic charge is applied to the structure through active charge emission. This causes repulsion between layers of lightweight membranes that inflates the EIMS system and tensions the membranes. Assuming positive tensions, the EIMS system is modeled as a rigid system. Typical orbital perturbations are considered such as solar radiation pressure, differential gravity, and atmospheric drag which may compress the structure leading to shape destabilization. Restricting the analysis in this paper to flat membranes, the minimum potentials required to exactly compensate for the worst case scenario of differential solar radiation pressure at geostationary altitudes are estimated to be on the order of hundreds of volts. In low Earth orbit, voltage magnitudes of several kilovolts are required to reach an inflation pressure to offset the normal compressive drag pressure.     

电动绳系在低极轨卫星中的应用研究

低极轨卫星具有轨道周期短、对地观测分辨率高等优点,但由于所在轨道大气阻力大,其使用寿命受到较大限制。文章提出采用水平结构电动绳系抵消低极轨卫星大气阻力的方法,通过系绳电流与地球磁场相互作用产生洛仑兹力进行推进,进而在无燃料消耗的情况下实现对低极轨卫星轨道高度的维持。初步分析了该方法在低极轨不同尺寸卫星中的应用潜力,计算了160 、400 和800 km 典型高度低极轨卫星所经历的地球磁场、电离层和高层大气环境相关参数变化,比较了不同条件下电动绳系推力与大气阻力大小随轨道位置的变化。分析结果表明,该方法适用于400 km 轨道高度以上大卫星;在满足一定系绳长度和轨道高度的条件下,电动绳系可以有效延长低极轨卫星的轨道寿命。     

Orbit lifetime for microparticles in highly elliptical orbits with low perigee

On the basis of numerical experiments, we have shown the principal possibility of long (more than 1 month) and extremely long (more than 1 year) orbit lifetime of technogenic microparticles with radii from 1 to 100 μm injected into the near-Earth space in highly elliptical orbits with low perigee, including the case of an orbit with parameters corresponding to the orbital parameters of the Molniya satellite. Calculations are performed taking into account the perturbing effect on the orbital microparticle motion in the near-Earth space of gravitational perturbation caused by the Earth’s polar oblateness, the solar pressure force (calculated using methods of the Mie theory), and the drag force of neutral component of the background gas under conditions of low, medium, and high levels of solar and geomagnetic activities.     

Orbit design for future SpaceChip swarm missions in a planetary atmosphere

The effect of solar radiation pressure and atmospheric drag on the orbital dynamics of satellites-on-a-chip (SpaceChips) is exploited to design equatorial long-lived orbits about the oblate Earth. The orbit energy gain due to asymmetric solar radiation pressure, considering the Earth's shadow, is used to balance the energy loss due to atmospheric drag. Future missions for a swarm of SpaceChips are proposed, where a number of small devices are released from a conventional spacecraft to perform spatially distributed measurements of the conditions in the ionosphere and exosphere. It is shown that the orbit lifetime can be extended and indeed selected through solar radiation pressure and the end-of-life re-entry of the swarm can be ensured, by exploiting atmospheric drag.     

Differential drag spacecraft rendezvous using an adaptive Lyapunov control strategy

This paper introduces a novel Lyapunov-based adaptive control strategy for spacecraft maneuvers using atmospheric differential drag. The control forces required for rendezvous maneuvers at low Earth orbits can be generated by varying the aerodynamic drag affecting each spacecraft. This can be accomplished, for example, by rotating dedicated sets of drag panels. Thus, the relative spacecraft motion can be controlled without using any propellant since the motion of the panels can be powered by solar energy. A novel adaptive Lyapunov controller is designed, and a critical value for the relative drag acceleration that ensures Lyapunov stability is found. The critical value is used to adapt the Lyapunov controller, enhancing its performance. The method is validated using simulations. The results show that the Adaptive Lyapunov technique outperforms previous control strategies for differential drag based spacecraft maneuvering.     

绳系空间太阳能电站动力学响应分析

利用绝对节点坐标方法研究绳系空间太阳能电站在轨飞行的太阳能电池板动力响应。通过勒让德变换引入广义动量,在约束哈密尔顿体系下建立轨道、姿态和弹性振动耦合的动力学方程。基于祖冲之类方法的思想,结合辛龙格-库塔方法对微分-代数方程进行数值求解。数值算例说明本文建模方法和数值算法都是有效的,能很好地保持系统约束和能量。最后分析了绳长、平台系统的质量、轨道高度对于梁中点挠度和轴向平均应变的影响。