CN109515756A - 跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法，它涉及跳跃式空间机动飞行器技术领域。包括以下步骤：(1)、建立有连续推力的再入动力学模型；(2)、跳跃再入轨迹的优化；(3)、结果表明有限推力的空间机动飞行器再入燃耗要优于脉冲式再入。本发明提出了有限推力跳跃再入空间机动飞行器的概念，可用于大倾角异面轨道碎片的清除，研究了跳跃再入轨迹的优化问题，仿真结果证明有限推力的空间机动飞行器再入燃耗要优于脉冲式再入。

Description

跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法

技术领域

本发明涉及的是跳跃式空间机动飞行器技术领域，具体涉及一种跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法。

背景技术

异面轨道目标的捕获有几种方式：大气层外机动变轨和气动力辅助变轨。气动力辅助变轨可以有效利用空气动力，节省燃料，可用于大轨道倾角的变轨。众所周知，相比于大气层外直接变轨机动，利用大气层提供的升力来改变轨道倾角可以极大的节省燃料。已有学者通过闭环制导或数值优化算法，验证了借助气动力辅助变轨在共面或异面变轨场景中，都要优于单纯的大气层外推力变轨。

目前气动辅助变轨的应用主要有：从高轨到低轨的共面轨道机动，异面轨道机动。通过施加一次或两次脉冲，飞行器改变轨迹进入大气层，在大气层内通过控制攻角或倾侧角控制升力和阻力，从而达到改变飞行器轨迹的目的，共面机动大气阻力用来降低飞行器速度，而异面机动需要利用最小推力改变飞行轨迹。

目前已有的气动辅助变轨方式都是基于脉冲式变轨，综上所述，本发明基于上述设计了一种跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法，提出了有限推力跳跃再入空间机动飞行器的概念，可用于大倾角变轨清除异面轨道碎片。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法，包括以下步骤：

1、建立有连续推力的再入动力学模型；

2、跳跃再入轨迹的优化；

3、结果表明有限推力的空间机动飞行器再入燃耗要优于脉冲式再入。

所述的步骤1将推力作用分解到速度坐标系下，忽略地球自转，建立如下的空间机动飞行器三自由度再入动力学模型。

所述的步骤2的优化目标为燃耗最优，路径约束考虑热流密度、过载和动压，表达式如下：

跳跃再入轨迹在最低点大气密度最高，飞行航迹角由负变正，气动变化复杂，将整个再入轨迹分为上升段和下降段，采用高斯伪谱优化方法。

本发明的有益效果：提出了有限推力跳跃再入空间机动飞行器的概念，可用于大倾角异面轨道碎片的清除，研究了跳跃再入轨迹的优化问题，仿真结果证明有限推力的空间机动飞行器再入燃耗要优于脉冲式再入。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的跳跃再入变量变化曲线图；

图2为本发明的动压变化曲线图；

图3为本发明的热流密度变化曲线图；

图4为本发明的过载变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1：跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法，包括以下步骤：

1、动力学建模

将推力作用分解到速度坐标系下，忽略地球自转，建立如下的空间机动飞行器三自由度再入动力学模型，坐标系的定义可参考文献。

r，φ，θ，v，γ，ψ，m，α，σ和T是状态变量，代表地心距，纬度，经度，速度，飞行航迹角，速度方位角，质量，攻角，倾侧角和推力。攻角α_C，倾侧角σ_C和推力T_C是控制指令，K_α、K_σ和K_T是常值系数，控制指令和实际状态间存在一阶延迟。L和D分别为升力加速度和阻力加速度。

L＝ρV²SC_L/(2m) (9)

D＝ρV²SC_D/(2m) (10)

式中，C_L是升力系数，C_D是阻力系数，S是参考迎风面积，ρ是大气密度，参考大气模型文档ESDU 77021。

2、仿真算例

本实施例的优化目标为燃耗最优，路径约束考虑热流密度、过载和动压，表达式如下：

约束条件及仿真初始参数设置如下表所示，其中空间机动飞行器参照美NASA的X-37B参数，m₀＝4989kg，S＝18.63m²，I_sp＝400s。

表1仿真初始参数

跳跃再入轨迹在最低点大气密度最高，飞行航迹角由负变正，气动变化复杂，论文将整个再入轨迹分为上升段和下降段，采用高斯伪谱优化方法，优化结果如图1所示。

燃耗约为1100kg，而相比脉冲式变轨再入要节省不少燃料，同样假设初始飞行轨迹角为-5°，则为改变飞行器初始轨迹进入再入轨迹，需要的燃耗至少为2500kg。

图2-图4给出了动压变化、热流密度变化及过载变化的曲线图。

本实施例有限推力跳跃再入空间机动飞行器，可用于大倾角异面轨道碎片的清除，研究了跳跃再入轨迹的优化问题，仿真结果证明有限推力的空间机动飞行器再入燃耗要优于脉冲式再入。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立有连续推力的再入动力学模型；

(2)、跳跃再入轨迹的优化；

(3)、结果表明有限推力的空间机动飞行器再入燃耗要优于脉冲式再入。

2.根据权利要求1所述的跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法，其特征在于，所述的步骤(1)将推力作用分解到速度坐标系下，忽略地球自转，建立如下的空间机动飞行器三自由度再入动力学模型。

3.根据权利要求1所述的跳跃式空间机动飞行器清除异面轨道碎片的方法，其特征在于，所述的步骤(2)的优化目标为燃耗最优，路径约束考虑热流密度、过载和动压，表达式如下：

跳跃再入轨迹在最低点大气密度最高，飞行航迹角由负变正，气动变化复杂，将整个再入轨迹分为上升段和下降段，采用高斯伪谱优化方法。