太阳帆航天器的轨道动力学和轨道控制研究

研究了太阳帆轨道动力学和利用太阳帆推进实现非开普勒轨道的太阳帆控制问题 ,推导了Gauss形式的太阳帆探测器密切轨道六要素微分方程,分析了太阳帆的轨道控制设 计方法,描述了适合太阳帆姿态控制的执行机构。在此理论基础上以SPORT计划作为设计实 例,并进行了设计与仿真,实现了任务要求的目标轨道。     

太阳帆航天器移位轨道设计

研究了太阳帆日心移位轨道的稳定性、控制律设计及轨道拼接。将柱坐标形式的太阳帆动力学方程在参考移位轨道附近线性化,得到线性变分方程。分析线性变分方程的特征值在复数平面上的位置就可以得到移位轨道的稳定性条件。设计了太阳帆日心移位轨道的控制律,并证明了控制律满足稳定性条件。该控制律仅要求太阳帆在移位轨道飞行时姿态角α保持不变。此外,太阳帆移位轨道可以与开普勒轨道相互转化,也可以与移位轨道之间相互拼接。     

太阳帆参数对稳定性的影响

太阳帆的轨道和姿态控制是太阳帆研究的重要领域。在同时考虑太阳帆轨道和姿态的情况下,研究了太阳帆在悬浮轨道的被动稳定飞行问题。通过设计帆的面积和支撑有效载荷杆的长度,使太阳帆在轨被动稳定飞行,主要研究了两个参数对太阳帆稳定性的影响。研究结果表明,太阳帆的面积对帆的稳定性影响较大,面积较小时太阳帆总能被动稳定。杆的长度对帆的稳定性影响不大,给定杆的长度,通过设计太阳帆的面积总能使太阳帆被动稳定。     

柔性太阳帆轨道-姿态-弹性振动耦合效应研究

建立了柔性太阳帆轨道、姿态、弹性振动耦合的动力学降阶模型。分析该模型在地心大偏心率椭圆轨道的动力学表明:太阳光压力是太阳帆轨道产生偏差的主要原因,且太阳光压力会引起太阳帆姿态的剧烈变化和柔性结构的大幅振动,同时太阳帆的结构振动会对其姿态造成累积偏差。研究发现,太阳帆在空间的运行是一个轨道、姿态、弹性振动三方面强烈耦合的复杂问题。     

非理想太阳帆受阴影影响的地球逃逸轨道探讨

太阳帆航天器通过反射太阳光子实现推进,是一类特殊的小推力航天器,因此其逃逸轨道不同于常规化学推进的航天器。文章考虑太阳帆帆面褶皱和鼓起等因素,建立更为真实的太阳帆光压力模型;同时,由日地关系建立三种不同的二维地影模型,并进行了初步的对比仿真研究。研究结果表明:尽管非理想太阳帆和地球遮挡这两个因素短时间的影响很小,但随着时间的推移,会对整体逃逸轨道和逃逸时间产生累积影响。文章的研究结果对于利用太阳帆实现逃逸轨道设计和姿态控制具有一定的指导意义。     

条带式太阳帆航天器的热致结构动力学响应

本文研究条带式太阳帆在近地轨道运行进出地球阴影时的热致结构动力学响应，建立了在太阳热辐射和光压共同作用下的太阳帆结构动力学方程，采用分布传递函数法，给出了条带式太阳帆热致结构稳态振动幅频响应的计算方法。算例结果表明：热辐射冲击是引起近地轨道太阳帆结构动力学响应的主要原因，光压引起的结构响应可忽略不计；增加桅杆壁厚不能有效抑制太阳帆的热致结构动态响应；增大阻尼，减小结构的热膨胀系数能够明显减小太阳帆热致结构响应的振幅；热致结构动态响应是设计大尺寸近地轨道太阳帆必须解决的问题。本文提出的方法可为太阳帆结构设计、姿态和轨道控制提供有力的分析工具。     

太阳帆日心定点悬浮转移轨道设计

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。     

利用太阳帆定点探测器在地一月系共线平动点附近的探讨

共线平动点附近的运动仅仅是条件稳定的,探测器的轨道需要经过控制才能维持在其附近.以地-月系11点和12点附近大振幅晕轨道的控制为例,探讨了太阳帆在定点这类探测器中的应用.首先,考虑了月球轨道的偏心率和太阳辐射的影响,给出了太阳帆对日定向的探测器轨道的低阶分析解,并在此基础上构造了在太阳系真实引力模型下一段时间内维持在共线平动点附近的拟周期轨道.然后,给出了两种利用太阳帆的控制方案,一是固定面质比而改变太阳帆法线的方向,另一是固定太阳帆对日定向而改变面质比,并对两种方案分别作了数值模拟.最后,文章探讨了测控误差及地、月影对轨道控制的影响.     

太阳帆航天器行星分段捕获控制方法研究

为使太阳帆航天器行星捕获终端轨道要素同时满足目标工作轨道的要求,提出了一种分段捕获策略及相应的联合解析最优控制律。将整个捕获过程分为平面内、外轨道捕获两个阶段,给出了分段捕获控制策略,以降低轨道要素的耦合,并给出了分阶段对各轨道要素进行联合控制的解析最优控制律。对水星探测任务进行了仿真分析,结果表明:用提出的太阳帆航天器行星分段捕获控制方法可得到满足目标工作轨道要求的捕获段转移轨道,同时解析控制律可实时根据当前的状态解算控制角,并对各轨道要素进行联合控制,适于未来的太阳帆航天器在轨自主控制系统。     

太阳帆绕地球周期轨道研究

  地球同步和太阳同步卫星在各个领域有着广泛的应用。静止轨道是一种特殊的地球同步轨道,轨道资源有限。利用化学推进或电推进可以实现轨道高度不同的同步轨道,如悬挂轨道,但需要消耗较多的燃料,工程上无法承受。本文考虑利用太阳帆实现地球同步和太阳同步轨道。太阳光压力在轨道平面内沿拱线方向,选择光压力与平面的夹角使得轨道平面的旋转速率与太阳光同步。研究表明,设计合适的半长轴和偏心率可以使得轨道旋转速率与地球自转速率一致。假设太阳光与赤道平面平行,可以得到准静止轨道,太阳帆将在传统静止轨道的附近运动,星下点的经度将在一个固定值附近振动。实际上太阳光是与黄道面平行,黄道面与赤道面之间存在夹角。考虑黄赤交角的情况下,太阳帆将在一定纬度和经度范围内运动。适合于对某个区域进行长期观测任务。     

NASA将验证三项深空探测所需技术

NASA官员8月22日宣布将拿出总共1．75亿美元来开展3项技术验证任务．分别用于验证3项将有助于未来空间探测的必备技术。即一种深空原子钟、一种巨型太阳帆设计和一种新型激光通信系统。这3项任务预计可在2015年前后发射。     

美国空军成功发射ORS-1卫星

美国空军于东部时间2011年6月29日夜间23点09分利用＂米诺陶＂-1火箭,从NASA位于沃洛普斯的发射场（即弗吉尼亚州大西洋中部地区航天发射场）,成功地将国防部＂作战及时响应型空间＂（ORS）办公室的ORS-1卫星发射进入低地球轨道。     

极地悬停航天器轨道动力学特性与轨道维持

针对高纬度地区地球同步轨道卫星存在覆盖盲区的问题,提出了一种长期悬停在极轴上空的极地悬停航天器轨道方案。基于日-地三体模型推导了连续推力控制下的极地悬停航天器轨道动力学模型,并针对悬停高度固定和自由两种模式分析了其推力需求特性和燃料消耗。结合工程实际,对采用电推进和太阳帆混合的极地悬停航天器进行了质量核算和寿命分析。结果表明:考虑电推进自身质量,自由悬停模式较固定悬停模式燃料消耗少,但有效载荷质量减小;太阳帆在当前的帆膜技术下不具有提高有效载荷质量的优势,但未来随着材料的发展太阳帆技术的优势会逐渐显现。文章提出的极地悬停航天器可实现对高纬度地区的连续和实时覆盖。     

美国空间探索技术公司的成功经验分析

美国空间探索技术公司是一家员工总数只有千余人的私营航天企业。自2002年建立至今的8年时间内,该公司接连独立研制并成功发射了低成本的猎鹰1号和猎鹰9号运载火箭,赢得了美国航空航天局（NASA）的＂商业轨道运输服务＂（COTS）合同,     

美国行星学会宣布太阳帆任务成功

<正>美国行星学会2019年7月31日宣布,其1个月前发射的"光帆" 2小卫星已成功验证了利用太阳帆来改变轨道的能力。这家非营利机构称,这颗三体立方星在其32m2的聚酯薄膜帆面展开后的4天里轨道远地点升高了1.7km。卫星工程师认定,该星在这一时段内轨道升高的唯一途径就是帆面上的太阳光压     

基于区间样条小波的太阳帆轨迹优化算法

针对太阳帆轨迹优化问题,提出了一种基于区间样条小波的新颖数值算法。首先推导了太阳帆航天器的轨道动力学方程并提出了优化目标函数,然后提出了基于区间样条小波函数及其导数算法的最优控制直接数值法。该优化算法的核心是基于区间样条小波函数及其导数算法,在小波配点上将状态与控制变量作离散化处理,进而可利用小波函数有效逼近带有突变的优点,提高了求解以小波系数为参数的非线性规划问题的计算精度和效率。对典型的地球－水星之间的太阳帆轨道优化问题的仿真结果表明,基于小波的数值解法优于半解析法。     

人工拉格朗日点附近的被动稳定飞行

利用太阳帆能在三体问题中实现人工拉格朗日点,人工拉格朗日点克服了经典拉格朗日点位置固定的缺点,研究人工拉格朗日点的被动控制对深空探测有重要的意义。理论上人工拉格朗日点都不稳定,研究表明在被动控制下存在某些人工拉格朗日点的稳定特性与稳定平衡点非常接近,在工程上可以认为稳定。被动控制可以通过设计太阳帆来实现,本文给出了被动稳定太阳帆的设计,在该设计下考虑轨道和姿态的耦合动力学方程。基于该耦合方程研究了人工拉格朗日点的稳定性。仿真结果表明被动太阳帆使得人工拉格朗日点稳定。     

NASA的STEREO科学卫星绕月变轨并准备开始对日研究

[据飞行现在时网站2007年1月25日报道]由NASA戈达德空间飞行中心运营的孪生卫星STEREO(日地关系观测卫星)是NASA第3项日地探测计划任务。STEREO是首次利用月球引力改变多个航天器轨道的任务,这两颗卫星由一枚火箭送入各自轨道。卫星轨道和绕月变轨机动由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的任务设计工程师们设     

美两个月球探测器启程奔月

美国航空航天局（NASA）6月18日在佛罗里达州卡纳维拉尔角使用宇宙神5型运载火箭成功地发射了“月球侦察轨道器”（LRO）和“月坑观测与探测卫星”（LCROSS）．用于对月面进行测绘,并寻找水冰。这是NASA自1998年发射“勘月者”探测器以来首次发射月球探测器。这两个探测器是NASA为重新把人员送到地球轨道以外的地方而派出的首批机器人开路先锋。     

带移动滑块太阳帆航天器姿态控制技术研究及仿真

针对以移动滑块为控制执行机构的太阳帆航天器,基于拉格朗日分析力学建立了航天器-滑块两体系统非线性耦合动力学模型。分外环和内环回路,各自设计了基于增益调度的变增益LQR控制器和带非线性补偿的PD控制器。建立ADAMS实体仿真模型,在MATLAB/Simulink软件中建立姿态控制系统仿真平台,以行星际太阳帆航天器轨道转移过程中姿态控制任务为例进行ADAMS-MATLAB动力学联合仿真实验。结果表明:设计的控制律能有效抑制光压干扰力矩对航天器姿态的影响,可实现太阳帆航天器的大角度快速姿态机动及长期姿态稳定。