CN111216925B - 一种共面椭圆轨道间的绳系卫星转移轨道设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种共面椭圆轨道间的绳系卫星转移轨道设计方法，针对绳系卫星脉冲机动间由于推力关闭带来的组合体两端绑体的潜在碰撞风险，提出使组合体绕质心自旋，用离心力使系绳保持张紧的变轨策略；在组合体运动到远地点附近时，提出通过剪断系绳获得期望的速度增量的策略，与霍曼转移相比，该方法最多可以节约二分之一的燃料消耗。

Description

一种共面椭圆轨道间的绳系卫星转移轨道设计方法
技术领域
本发明属于绳系航天器轨道转移领域，具体涉及绳系捕获卫星的类双脉冲转移轨道设计，即单端推力起旋、旋转飞行和剪断系绳获得期望速度增量三部分。
背景技术
使用绳系机器人抓捕位于非合作目标，并将其拖曳至目标轨道是一种新兴的拖曳变轨技术。如附图1所示，抓捕完成后，平台星、目标星通过系绳连接形成绳系组合体。由于系绳特有的柔性和弹性，在拖曳离轨过程中，需考虑防碰撞、防断裂的要求。
1.防碰撞：由于系绳的反弹效应，在霍曼转移推力关闭后(自由飞行段)系绳松弛，残存的张力会使得两端航天器间距减小，小于安全距离限时便会发生碰撞。
2.防绷断：要求系绳张力不超过可承受的最大拉力。
为了避免航天器碰撞，刘海涛等人在“中国科学:技术科学”上发表的《地球静止轨道废弃卫星绳系拖曳离轨研究》利用重力梯度效应保持系绳张力为正。考虑到GEO高度重力梯度效应较弱，刘新建等人在“宇航总体技术”上发表的《绳系拖曳离轨模型及脉冲喷气控制策略的可行性》利用平台星上的推力器实现系绳张紧控制，该策略中约有50％的燃料消耗用于防碰撞控制，造成了燃料浪费。Jasper等人在“Acta Astronautica”上发表的《Tethered towing using open-loop input-shaping and discrete thrust levels》采用陷波滤波器使推力平滑变化以滤除结构振动频率，从而避免两端卫星的碰撞，但该方法仅适用于初始张紧的绳系系统。
上述方法中，为了让平台星“拖”走目标星的同时不至于灼烧系绳，主发动机需采用斜装方式(如采用两个推力器，且与系绳夹角大小相等)，使得相当一部分推力互相抵消，增加燃料消耗量。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种共面椭圆轨道间的绳系卫星转移轨道设计方法。
技术方案
一种共面椭圆轨道间的绳系卫星转移轨道设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：组合体起旋
初始时刻，平台星运行于初始轨道，目标星位于平台轨道径向方向，系绳自然伸长；平台星主推力器与系绳垂直，即安装在其轨道切向方向；采用主推力器与系绳垂直配置的构型可以避免推力互相抵消，节约燃料消耗量；该阶段利用平台星推力F，使得组合体以角速度ωθ旋转，持续时间为Δt1；
步骤2：组合体旋转飞行
该阶段主推力器关闭，组合体以角速度ω绕质心旋转，持续时间为半个轨道周期；旋转过程中，离心力使系绳保持张紧，有效避免由于推力关闭段引起的系绳松弛现象，防止两端绑体碰撞；
步骤3：剪断系绳后的转移轨道要素计算
由步骤2知，组合体以角速度ωθ绕质心旋转，在转角θ处剪断系绳，可得两端卫星的位置、速度矢量分别为：
Figure GDA0003858956720000021
其中，dp、dd分别为平台星、目标星与组合体质心之间的质心距离；
由式(1)可以计算得到两端绑体的轨道位置及速度矢量Ri,Vi(i＝p,d)，分别为：
Figure GDA0003858956720000031
其中R,V分别为组合体质心的位置和速度矢量；
由式(2)可以计算得到剪绳后的偏心率矢量ei和半长轴ai为：
Figure GDA0003858956720000032
其中Ri＝|Ri|,Vi＝|Vi|，偏心率ei＝|ei|，从而可以确定剪绳后目标星与平台星的轨道；剪断系绳后，两端绑体获得方向相反、大小与质量成反比的速度增量，从而使目标星运行到期望的目标轨道，而平台星机动到其他轨道或返回初始轨道。
有益效果
本发明提出的一种共面椭圆轨道间的绳系卫星转移轨道设计方法，有益效果如下：
(1)采用主推力器与系绳垂直配置的构型，可以避免主推力器斜装带来的推力互相抵消，尽可能节约燃料。
(2)针对绳系卫星脉冲机动间由于推力关闭带来的组合体两端绑体的潜在碰撞风险，提出使组合体绕质心自旋，用离心力使系绳保持张紧的变轨策略；
(3)在组合体运动到远地点附近时，提出通过剪断系绳获得期望的速度增量的策略，与霍曼转移相比，该方法最多可以节约二分之一的燃料消耗。
附图说明
图1绳系组合体模型示意图；
图2拖曳离轨方案示意图；
图3剪绳前后轨道示意图；
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
抓捕后的目标星将在平台星推力牵引下，经附图2所示的拖曳离轨过程，被拖曳至目标轨道。该轨道转移模式包括以下步骤。
步骤一：组合体起旋
初始时刻,平台星运行于初始轨道，目标星位于平台轨道径向方向,系绳自然伸长。平台星主推力器与系绳垂直，即安装在其轨道切向方向。采用主推力器与系绳垂直配置的构型可以避免推力互相抵消，节约燃料消耗量。该阶段利用平台星推力F，使得组合体以角速度ωθ旋转，持续时间为Δt1。
步骤二：组合体旋转飞行
该阶段主推力器关闭，组合体以角速度ωθ绕质心旋转，持续时间为半个轨道周期。旋转过程中，离心力使系绳保持张紧，可以有效避免由于推力关闭段引起的系绳松弛现象，防止两端绑体碰撞。
步骤三：剪断系绳后的转移轨道要素计算
由步骤二知，组合体以角速度ωθ绕质心旋转，在转角θ处剪断系绳，可得两端卫星的位置、速度矢量分别为
Figure GDA0003858956720000041
其中，dp、dd分别为平台星、目标星与组合体质心之间的质心距离。
由式(1)可以计算得到两端绑体的轨道位置及速度矢量Ri,Vi(i＝p,d)，分别为：
Figure GDA0003858956720000051
其中R,V分别为组合体质心的位置和速度矢量，可参考“张洪波”编著的《航天器轨道力学理论与方法》一书中第三章的内容，在此不再赘述。
由式(2)可以计算得到剪绳后的偏心率矢量ei和半长轴ai为
Figure GDA0003858956720000052
其中Ri＝|Ri|,Vi＝|Vi|，偏心率ei＝|ei|，从而可以确定剪绳后目标星与平台星的轨道。
如附图3所示，剪断系绳后，两端绑体获得方向相反、大小与质量成反比的速度增量，从而使目标星运行到期望的目标轨道，而平台星可通过附图2所示的阶段IV，机动到其他轨道或返回初始轨道。

Claims (1)

1.一种共面椭圆轨道间的绳系卫星转移轨道设计方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：组合体起旋
初始时刻，平台星运行于初始轨道，目标星位于平台轨道径向方向，系绳自然伸长；平台星主推力器与系绳垂直，即安装在其轨道切向方向；采用平台星主推力器与系绳垂直配置的构型可以避免推力互相抵消，节约燃料消耗量；该阶段利用平台星推力F，使得组合体以角速度ωθ旋转，持续时间为Δt1；
步骤2：组合体旋转飞行
该阶段平台星主推力器关闭，组合体以角速度ωθ绕质心旋转，持续时间为半个轨道周期；旋转过程中，离心力使系绳保持张紧，有效避免由于推力关闭段引起的系绳松弛现象，防止两端绑体碰撞；
步骤3：剪断系绳后的转移轨道要素计算
由步骤2知，组合体以角速度ωθ绕质心旋转，在转角θ处剪断系绳，可得两端卫星的位置、速度矢量分别为：
Figure FDA0003858956710000011
其中，dp、dd分别为平台星、目标星与组合体质心之间的质心距离；
由式(1)可以计算得到两端绑体的轨道位置及速度矢量Ri,Vi(i＝p,d)，分别为：
Figure FDA0003858956710000012
其中R,V分别为组合体质心的位置和速度矢量；
由式(3)可以计算得到剪绳后的偏心率矢量ei和半长轴ai为：
Figure FDA0003858956710000021
其中Ri＝|Ri|,Vi＝|Vi|，偏心率ei＝|ei|，从而可以确定剪绳后目标星与平台星的轨道；剪断系绳后，两端绑体获得方向相反、大小与质量成反比的速度增量，从而使目标星运行到期望的目标轨道，而平台星机动到其他轨道或返回初始轨道。
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