【摘要】：高面質比衛(wèi)星是面積質量比大于1m2/kg的一類衛(wèi)星,諸如芯片衛(wèi)星、智能微塵等都屬于該類衛(wèi)星,其動力學由于明顯受到空間擾動力影響,具有姿態(tài)軌道耦合、軌道易漂移的顯著特點。對于芯片衛(wèi)星等高面質比衛(wèi)星單星功能通常有限,一般以星座的方式完成空間任務,因此探討高面質比衛(wèi)星的平衡軌道求解問題,建立高面質比衛(wèi)星的動力學與控制方法,研究高面質比衛(wèi)星動力學與控制以及星座的長期演化規(guī)律,可以為高面質比衛(wèi)星的應用提供理論基礎。本論文針對高面質比衛(wèi)星及其星座的動力學及其長期演化與控制問題,深入探討了單個高面質比衛(wèi)星在不同軌道高度的軌道特性、高面質比衛(wèi)星星座的長期演化規(guī)律、高面質比衛(wèi)星軌道機動方法等多方面內容,取得了如下研究成果:高面質比衛(wèi)星在中低軌道上運行時,大氣阻力和太陽光壓與衛(wèi)星面質比相關,是衛(wèi)星的主要環(huán)境作用力。大氣阻力將使得衛(wèi)星軌道快速衰減,太陽光壓可以增加軌道能量,這為探索光壓攝動降低軌道衰減速度的思路提供了可能。通過求解地球引力、大氣阻力和太陽光壓共同作用下的平衡軌道,可以使得衛(wèi)星在軌運行穩(wěn)定。據此,根據平均化理論,建立了高面質比衛(wèi)星軌道動力學,進而給出了軌道平衡方程,采用半解析方法對平衡軌道方程進行了求解,并給出了滿足平衡軌道的初始條件。研究表明,在中低軌道上,根據軌道近地點和太陽、地球相對位置的不同,平衡軌道可以分為兩類:一類是初始時刻軌道近地點在地日之間的平衡軌道,這類平衡軌道的初始軌道高度具有最大值,初始軌道偏心率相對較小,對于相同偏心率的軌道,初始軌道高度隨面質比的增加而增加;另一類是軌道近地點在地日同側的平衡軌道,這類平衡軌道方程的解的特點是軌道偏心率較高,并且初始軌道高度的可選范圍較大。最后,對五種典型的高面質比衛(wèi)星平衡軌道進行了長期演化仿真,仿真表明平衡方程的解能夠保證高面質比衛(wèi)星在軌長期穩(wěn)定,并且第一類平衡軌道是穩(wěn)定的。高面質比衛(wèi)星通過多次隨機搭載發(fā)射在軌形成衛(wèi)星星座,可以增強覆蓋率,完成多樣化的空間任務。在大氣阻力作用下,如何描述衛(wèi)星星座的在軌狀態(tài),建立衛(wèi)星星座演化分析方法是高面質比衛(wèi)星星座面臨的一個重要問題。為了研究高面質比衛(wèi)星星座的長期演化,采用星座密度描述衛(wèi)星在衛(wèi)星星座中的分布情況。星座密度可以將隨機的星座分布轉化為一種可以定量表述的形式,從而將高面質比衛(wèi)星星座狀態(tài)分布從不確定轉化為可分析的模式。根據衛(wèi)星數目不變的假設,建立了星座密度微分方程。針對平衡軌道星座的長期演化問題,提出采用特征值方法,將星座密度微分方程的求解問題轉化為一階柯西問題,并對連續(xù)性方程進行了求解,實現(xiàn)了對衛(wèi)星星座狀態(tài)的定量化描述。假定在初始時刻衛(wèi)星均勻分布于整個衛(wèi)星星座時,對星座的長期演化進行了仿真,仿真結果表明當衛(wèi)星星座位于平衡軌道上時,近地點和遠地點的星座密度將在半個軌道周期后分別達到最小值和最大值。對于非平衡軌道星座,在大氣阻力作用下,軌道越低,相應高度的星座密度下降趨勢越明顯,隨著時間增加,衛(wèi)星星座覆蓋的軌道區(qū)間將逐漸增大,星座密度的最大值逐漸降低。在軌高面質比衛(wèi)星如果具有主動控制功能,將會大大提高衛(wèi)星在軌的靈活性。高面質比衛(wèi)星通常不具有軌道推力器,因此,若能實現(xiàn)高面質比衛(wèi)星的自主機動,將為高面質比衛(wèi)星的在軌任務提供有效支撐。為了研究高面質比衛(wèi)星的軌道機動方法,將衛(wèi)星的軌道機動問題轉化為一類蘭伯特問題,采用迭代方法,給出了轉移軌道的求解過程。為了使衛(wèi)星能按轉移軌道進行軌道機動,給出了一種制導方法,給出了在軌道轉移過程中所需的加速度方向。根據高面質比衛(wèi)星的特點,通過姿態(tài)機動完成衛(wèi)星的指向性要求,從而改變衛(wèi)星受力狀態(tài),進而實現(xiàn)高面質比衛(wèi)星的軌道機動。對不同仿真場景下的仿真結果表明,軌道機動過程的速度精度和位置精度能夠滿足高面質比衛(wèi)星變軌的需求。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V412.41
【圖文】：

圖 1-1 軌道彩虹Fig. 1-1 Orbiting Rainbows 給出了一種基于“軌道彩虹”計劃的一個實例，從入軌到正驟：1）衛(wèi)星入軌，形成衛(wèi)星云；2）通過激光控制，消除）粗控制過程，采用光學控制形成二維平面；4）通過精細性的二維面，通過連續(xù)的圖形控制或者光學控制，使得在道云的形狀不變。在不同位置施加不同的光壓，可以改變要進行波前控制時，可以對軌道云的形狀重塑，從而提高常運行，多物鏡光學系統(tǒng)尋找外行星；6）在遙測時，也可用。彩虹”空間光學系統(tǒng)與傳統(tǒng)光學系統(tǒng)具有巨大優(yōu)勢，如表 1，其優(yōu)點表現(xiàn)為[18]：量采用低成本、批量化的衛(wèi)星航天器，實現(xiàn)大型在軌超輕光軌形成軌道云，可大可小，可以分散到幾千控制范圍內，并現(xiàn)光圈變化；道云便于生產、運輸和部署；

生革命性的變化。在攝星計劃中，探測器僅有幾克重，通過地球上發(fā)射的激光脈沖，可以對探測器不斷加速。激光隨著距離的增加能量變弱，但由于探測器質量很輕，因此仍然能保持比較高的加速度，預計在半小時內，探測器的速度將達到光速的 1/5。探測器以這樣的速度連續(xù)飛行，經過 20 年后，將達到并飛越半人馬座阿爾法星系。在探測器飛越阿爾法星系的時候，將采集圖像，并返回地球。探測器主要由兩部分構成：“星芯片”[27-29]和“太陽帆”。星芯片的大小大約是計算機芯片大小，太陽帆的厚度僅有幾百個原子的厚度。其中，星芯片上具有圖像采集、敏感器和通信單元。探測器在星際飛行過程中，主要依靠太陽光提供動力，由于單位面積的太陽光壓力很小，因此，星際旅行[30]所需的動力需要足夠大面積的太陽帆。在火箭發(fā)射探測器的過程中，需要把太陽帆折疊放置并送入太空。探測器在空間飛行穩(wěn)定后，展開太陽帆，并提供在軌所需要的動力。太空中是真空環(huán)境，因此太陽光壓力作用在探測器上能夠使其不斷加速，提供軌道加速度[31]。在軌道控制的過程中，需要控制太陽帆的角度和方位，從而實現(xiàn)期望的軌道加速度，實現(xiàn)星際航行，并飛向阿爾法星。

生革命性的變化。在攝星計劃中，探測器僅有幾克重，通過地球上發(fā)射的激光脈沖，可以對探測器不斷加速。激光隨著距離的增加能量變弱，但由于探測器質量很輕，因此仍然能保持比較高的加速度，預計在半小時內，探測器的速度將達到光速的 1/5。探測器以這樣的速度連續(xù)飛行，經過 20 年后，將達到并飛越半人馬座阿爾法星系。在探測器飛越阿爾法星系的時候，將采集圖像，并返回地球。探測器主要由兩部分構成：“星芯片”[27-29]和“太陽帆”。星芯片的大小大約是計算機芯片大小，太陽帆的厚度僅有幾百個原子的厚度。其中，星芯片上具有圖像采集、敏感器和通信單元。探測器在星際飛行過程中，主要依靠太陽光提供動力，由于單位面積的太陽光壓力很小，因此，星際旅行[30]所需的動力需要足夠大面積的太陽帆。在火箭發(fā)射探測器的過程中，需要把太陽帆折疊放置并送入太空。探測器在空間飛行穩(wěn)定后，展開太陽帆，并提供在軌所需要的動力。太空中是真空環(huán)境，因此太陽光壓力作用在探測器上能夠使其不斷加速，提供軌道加速度[31]。在軌道控制的過程中，需要控制太陽帆的角度和方位，從而實現(xiàn)期望的軌道加速度，實現(xiàn)星際航行，并飛向阿爾法星。

【參考文獻】

相關期刊論文 前7條

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本文編號：2745027