CN102126564A - 用于最优化人造卫星的质量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于最优化人造卫星的质量的方法和装置。该方法包括：计算椭圆形的第二轨道(107)的步骤(201)，该椭圆形的第二轨道(107)是通过第一轨道(103)围绕连接近拱点(104)和远拱点(105)的轴(106)转动而获得，该椭圆形的第二轨道(107)与第二最长日食持续时间(D2)相关联，该第二最长日食持续时间(D2)小于第一最长日食持续时间(D1)；确定使人造卫星能够运动到该第二轨道(107)的调动的步骤(202)；以及计算第二电池质量(Mb2)以及计算实现该调动所需的燃料质量(Mc)的步骤(203)，该第二电池质量(Mb2)使人造卫星在该第二最长日食持续时间(D2)中保持工作。

Description

用于最优化人造卫星的质量的方法和装置
技术领域
本发明涉及航天任务领域，更具体地，涉及最优化人造卫星的质量的领域，该人造卫星用于执行包括围绕大型天体的轨道阶段的任务。
背景技术
在未来的太空计划中，计划将人造卫星发送到高椭圆轨道，例如捕获轨道(capture orbit)，从而能够在紧随捕获之后或在该捕获轨道中花费一些时间之后，布置登陆车。在该轨道中，给定的某些几何条件下，可能出现长时间的日食。在日食期间，剥夺了人造卫星的太阳能。那么人造卫星的电源和热调整子系统必须足以能够在这些日食期间工作。
通常不采用会导致长时间日食的插入轨迹(insertion trajectories)，因为其会导致电源和热调整子系统的重量增加。然而，在从捕获轨道启动登陆的情况下，这可能妨碍在给定范围内在良好条件下(例如在日照中)登陆。在没有立即实现登陆，而是在捕获轨道中花费一些时间之后才实现登陆以避免不良登陆条件(例如火星风暴期间或行星和地球之间的相合(conjunction)期间)的情况下，该问题更有可能出现。
在限定了不改变轨道形状的前提下(例如，轨道出口调动(orbit exitmanoeuvres)保持紧凑)，无法找到在低轨道高度上变化为圆形轨道的解决方案。然而，有一个可能的解决方案，包括增大航天器装载的电池的容量，并因此增大其尺寸和重量。该解决方案并不完全令人满意，因为这样一来，与有效载荷的质量相比，电池的质量过大和/或在宇宙飞船上占用太多空间。此外，该解决方案不能满足特别长时间日食的需要。
发明内容
本发明特别致力于通过一种用于最优化人造卫星的质量的方法和装置减轻上述问题，该人造卫星在考虑长时间日食的情况下，用于执行包括围绕大型天体的轨道阶段(orbit phase)的任务。
为达此目的，本发明提供了一种用于最优化人造卫星的质量的方法，该人造卫星用于执行包括在椭圆形的第一轨道中围绕大型天体的轨道阶段的任务，该椭圆形的第一轨道的形状和方向受到该任务的其他阶段的约束，该椭圆形的第一轨道包括第一点，也称为近拱点，以及第二点，也称为远拱点，该第二点与第一最长日食持续时间相关联，该第一最长日食持续时间决定了第一电池质量，该第一电池质量能够在该第一最长日食持续时间内使人造卫星保持工作，其特征在于，所述方法包括：
-计算椭圆形的第二轨道的步骤，该椭圆形的第二轨道是通过椭圆形的第一轨道围绕连接近拱点和远拱点的轴转动而获得，该椭圆形的第二轨道与第二最长日食持续时间相关联，该第二最长日食持续时间小于该第一最长日食持续时间，
-确定使人造卫星能够运动到该第二轨道的调动的步骤，以及
-计算第二电池质量以及计算实现该调动所需的燃料质量的步骤，该第二电池的质量使人造卫星在该第二最长日食持续时间中保持工作，
-为人造卫星添加所述燃料质量，并移除等于该第一电池质量与第二电池质量之差的电池质量，燃料质量与该第二电池质量之和小于该第一电池质量。
本发明的优点是避免用于长时间日食的人造卫星的电源和热调节子系统过大，该日食只在任务的相对短的阶段中出现，该任务持续几个月而日食持续几个小时。
由此，能够通过将长时间日食期间人造卫星生存所需的质量交换为实现轨道变化调动所需的质量，来最优化人造卫星的设计。通过这种方式节约的质量可用于例如其它科学应用。
有利地，在远拱点附近实现该调动。在轨道的这一部分上，人造卫星的速度受到限制，因此大大减小了实现该调动所需的燃料质量。
本发明还提出了一种用于最优化人造卫星的质量的装置，该人造卫星用于执行包括在椭圆形的第一轨道中围绕大型天体的轨道阶段的任务，该椭圆形的第一轨道的形状和方向受到该任务的其它阶段的约束，该第一轨道包括第一点，也称为近拱点，以及第二点，也称为远拱点，该远拱点与第一最长日食持续时间相关联，该第一最长日食持续时间决定了第一电池质量，该第一电池质量能够在该第一最长日食持续时间内保持人造卫星工作，其特征在于，所述装置包括：
-用于计算椭圆形的第二轨道的装置，该椭圆形的第二轨道是通过该第一轨道围绕连接该近拱点和远拱点的轴转动而获得，该椭圆形的第二轨道与第二最长日食持续时间相关联，该第二最长日食持续时间小于该第一最长日食持续时间，
-用于确定使人造卫星能够向第二轨道运动的调动的装置，以及
-用于计算第二电池质量以及用于计算实现该调动所需的燃料质量的装置，该第二电池质量使得人造卫星在该第二最长日食持续时间内保持工作，该燃料质量被添加到人造卫星，且从该人造卫星中移除等于该第一电池质量与该第二电池质量之差的电池质量，该燃料质量与该第二电池质量之和小于该第一电池质量。
附图说明
通过阅读以非限制性示例方式并结合附图给出的详细说明，可更好地理解本发明，且本发明的其他优点将更加明显，其中：
图1显示了处于围绕大型天体的轨道中的航天器，其中110为阴影。
图2是本发明的方法的视图。
图3显示了本发明的一个实施例的装置。
图4显示了长时间日食的示例。
具体实施方式
图1显示了处于围绕大型天体102的轨道中的航天器101。该大型天体例如为行星或月球。该航天器例如为人造卫星或用于布置登陆器的宇宙飞船。该航天器遵循椭圆形的初始轨道103。椭圆形的轨道具有被称为拱点(apses)的两标志点：第一点，即近拱点104，在轨道103的这一点上距离该大型天体102的距离最小；第二点，即远拱点105，在轨道103的这一点上距离该大型天体102的距离最大。连接该近拱点104和远拱点105的轴106被称为拱点轴。
初始轨道中的航天器遭遇由不良的几何条件造成的长时间日食，这是由太阳围绕该大型天体的明显转动以及可能的轨道扰动(该大型天体或其他天体的重力扰动)造成的。
本发明的技术方案包括在这些几何条件实施之前实现一调动(manoeuvre)。该调动的目的是影响围绕该拱点轴106的轨道平面(该椭圆的平面)的转动。宇宙飞船在初始轨道中的速度由第一速度向量v1限定。该调动不改变第一向量v1的大小。另一方面，该调动改变该第一向量v1在垂直于拱点轴106的平面中的方向，以产生第二速度向量v2。椭圆形的第一轨道103与第一最长日食持续时间D1相关联。
图2是本发明的方法的视图。该方法包括：
-步骤201，计算通过第一轨道103围绕连接近拱点104和远拱点105的轴106转动而获得的椭圆形的第二轨道107，该椭圆形的第二轨道107与第二最长日食持续时间D2相关联，该第二最长日食持续时间D2小于第一最长日食持续时间D1。
-步骤202，确定使人造卫星运动到该第二轨道107的调动，以及
-步骤203，计算第二电池质量Mb2以及计算实现该调动所需的燃料质量Mc，该第二电池质量Mb2使得人造卫星在该第二最长日食持续时间D2中保持工作，
-将质量为Mc的燃料添加到该人造卫星，并移除等于第一电池质量Mb1与第二电池质量Mb2之差的电池质量，该燃料质量Mc与第二电池质量Mb2之和小于第一电池质量Mb1。
确定椭圆形的第二轨道107，从而符合以下条件：i)椭圆形的第二轨道107具有与第一轨道相同的远拱点105和近拱点104，ii)第二轨道的最长日食持续时间D2(即人造卫星在该轨道中不能接收太阳光的最长持续时间)小于第一轨道的最长日食持续时间D1。第一最长日食持续时间D1和第二最长日食持续时间D2之差D使得能够计算电池质量Mb。该电池质量Mb表示在持续时间差D期间使人造卫星保持工作所需的电池的量。
此外，能够确定实现使人造卫星运动到第二轨道107的调动所需的燃料质量Mc。
该燃料质量Mc小于电池质量Mb。
该解决方案解决了长时间日食的问题，且具有减小人造卫星质量的优点。
有利地，在远拱点105附近执行该调动。在椭圆形的轨道的远拱点上，人造卫星的速度最低。就在这一点上，该调动消耗的燃料最少。因此优选地在人造卫星靠近该点时开始轨道变化，例如在该点之前或之后几度。
有利地，该方法进一步包括确定使人造卫星101返回到第一轨道103的调动的步骤，该人造卫星载有为实现能够返回到第一轨道103的调动而储备的补充燃料。
根据本发明的一个特征，人造卫星在初始轨道中的速度由具有方向的第一速度向量限定，使人造卫星运动到第二轨道107的调动在垂直于拱点轴106的平面内改变方向。
图3显示了根据本发明的一个实施例的装置。该装置300用于最优化人造卫星101的质量，该人造卫星101用于执行包括在椭圆形的第一轨道103上围绕大型天体102的轨道阶段的任务，该椭圆形的第一轨道103的形状和方向受到该任务的其他阶段的约束，该第一轨道103包括也称为近拱点的第一点104，以及也称为远拱点的第二点105，且该远拱点105与第一最长日食持续时间D1相关联，该第一最长日食持续时间D1决定了第一电池质量Mb1，该第一电池质量Mb1使人造卫星在所述第一最长日食持续时间D1期间保持工作，该装置包括：
-用于计算椭圆形的第二轨道107的装置301，该椭圆形的第二轨道107是通过第一轨道103围绕连接近拱点104和远拱点105的轴106转动而获得，该椭圆形的第二轨道107与第二最长日食持续时间D2相关联，该第二最长日食持续时间D2小于该第一最长日食持续时间D1，
-用于确定使人造卫星运动到第二轨道107的调动的装置302，以及
-用于计算第二电池质量Mb2以及用于计算实现该调动所需的燃料质量Mc的装置303，该第二电池质量Mb2使得人造卫星在第二最长日食持续时间D2期间能够保持工作，将该燃料质量Mc添加到人造卫星，且将等于第一电池质量Mb1与第二电池质量Mb2之差的电池质量添加到该电池，燃料质量Mc与第二电池质量Mb2之和小于第一电池质量Mb1。
有利地，本发明的装置进一步包括用于确定使人造卫星101返回到第一轨道103的调动的装置，该人造卫星载有补充燃料储备，用于实现能够返回到第一轨道103的调动。
在本发明的变形中，用于计算第二轨道107的装置301置于地面上。
在本发明的另一变形中，用于计算第二轨道107的装置301置于人造卫星上。
图4显示了长时间日食的一个示例。灰色阴影部分表示依据行星插入几何(planet insertion geometry)的度数(B-平面角，横轴)以及轨道中耗尽的持续天数(纵轴)的在行星周围的椭圆形轨道中的日食持续时间的小时数。

Claims (8)

1.一种用于最优化人造卫星(101)的质量的方法，所述人造卫星(101)用于执行包括在椭圆形的第一轨道(103)中围绕大型天体(102)的轨道阶段的任务，所述椭圆形的第一轨道(103)的形状和方向受到所述任务的其他阶段的约束，所述第一轨道(103)包括也称为近拱点(104)的第一点，以及也称为远拱点(105)的第二点，所述第二点与第一最长日食持续时间(D1)相关联，所述第一最长日食持续时间(D1)决定了第一电池质量(Mb1)，所述第一电池质量(Mb1)能够在所述第一最长日食持续时间(D1)内使人造卫星保持工作，其特征在于，所述方法包括：
-计算椭圆形的第二轨道(107)的步骤(201)，所述椭圆形的第二轨道(107)是通过所述第一轨道(103)围绕连接所述近拱点(104)和所述远拱点(105)的轴(106)转动而获得，所述椭圆形的第二轨道(107)与第二最长日食持续时间(D2)相关联，所述第二最长日食持续时间(D2)小于所述第一最长日食持续时间(D1)，
-确定使人造卫星能够运动到所述第二轨道(107)的调动的步骤(202)，以及
-计算第二电池质量(Mb2)以及计算实现所述调动所需的燃料质量(Mc)的步骤(203)，所述第二电池质量(Mb2)使人造卫星在所述第二最长日食持续时间(D2)中保持工作，
-为人造卫星添加所述燃料质量(Mc)，并移除等于所述第一电池质量(Mb1)与第二电池质量(Mb2)之差的电池质量，燃料质量(Mc)与所述第二电池质量(Mb2)之和小于所述第一电池质量(Mb1)。
2.根据权利要求1所述的用于最优化人造卫星(101)的质量的方法，其特征在于，在远拱点(105)附近实现所述调动。
3.根据前述任意一项权利要求所述的用于最优化人造卫星(101)的质量的方法，其特征在于，所述方法进一步包括确定使人造卫星(101)返回到所述第一轨道(103)的调动的步骤，所述人造卫星载有用于实现能够返回到所述第一轨道(103)的调动的补充燃料储备。
4.根据前述任意一项权利要求所述的用于最优化人造卫星(101)的质量的方法，其特征在于，所述人造卫星在初始轨道上的速度由具有方向的速度向量限定，所述使人造卫星运动到所述第二轨道(107)的调动在垂直于所述拱点轴(106)的平面内改变所述向量的方向。
5.一种用于最优化人造卫星(101)的质量的装置，所述人造卫星(101)用于执行包括在椭圆形的第一轨道(103)中围绕大型天体(102)的轨道阶段的任务，所述椭圆形的第一轨道(103)的形状和方向受到所述任务的其它阶段的约束，所述第一轨道(103)包括也称为近拱点(104)的第一点，以及也称为远拱点(105)的第二点，所述远拱点(105)与第一最长日食持续时间(D1)相关联，所述第一最长日食持续时间(D1)决定了第一电池质量(Mb1)，所述第一电池质量(Mb1)能够在所述第一最长日食持续时间(D1)内使人造卫星保持工作，其特征在于，所述装置(300)包括：
-用于计算椭圆形的第二轨道(107)的装置(301)，所述椭圆形的第二轨道(107)是通过所述第一轨道(103)围绕连接所述近拱点(104)和所述远拱点(105)的轴(106)转动而获得，所述椭圆形的第二轨道(107)与第二最长日食持续时间(D2)相关联，所述第二最长日食持续时间(D2)小于所述第一最长日食持续时间(D1)，
-用于确定使人造卫星能够向所述第二轨道(107)运动的调动的装置(302)，以及
-用于计算第二电池质量(Mb2)以及用于计算实现所述调动所需的燃料质量(Mc)的装置(303)，所述第二电池质量(Mb2)使得人造卫星在所述第二最长日食持续时间(D2)内保持工作，所述燃料质量(Mc)被添加到人造卫星，等于所述第一电池质量(Mb1)与所述第二电池质量(Mb2)之差的电池质量被添加到电池，所述燃料质量(Mc)与所述第二电池质量(Mb2)之和小于所述第一电池质量(Mb1)。
6.根据权利要求5所述的用于最优化人造卫星(101)的质量的装置，其特征在于，所述装置进一步包括用于确定使人造卫星(101)返回到所述第一轨道(103)的调动的装置，所述人造卫星还载有用于实现能够返回到所述第一轨道(103)的调动的补充燃料储备。
7.根据权利要求5或6所述的用于最优化人造卫星(101)的质量的装置，其特征在于，所述用于计算第二轨道(107)的装置(301)被置于地面上。
8.根据权利要求5或6所述的用于最优化人造卫星(101)的质量的装置，其特征在于，所述用于计算第二轨道(107)的装置(301)被置于人造卫星上。
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