CN111392068B - 一种星上自主应急再入返回轨道设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种星上自主应急再入返回轨道设计方法，涉及再入航天器离轨制动控制技术；本发明采用全自主应急轨道设计方案，根据当前轨道与主备着落机场的地理位置，自主计算应急返回圈次、多机场的优选、快速到达应急离轨窗口的过渡轨道设计。

Description

一种星上自主应急再入返回轨道设计方法
技术领域
本发明涉及一种再入航天器离轨制动控制技术领域，特别是应急再入返回轨道设计方法。
背景技术
近年来，由于空间远程快速运输系统和全球快速精确打击等的需求，各类能够往返于地球表面和空间轨道之间的空天飞行器成为各国的研究热点。其中具有代表性的是美国研制的X-37B轨道试验飞行器，它不仅可用于空间运输和空间试验，而且在侦查监视与预警、全球快速精确打击等军事应用方面具有重大潜力。
空天再入飞行器的返回过程可分为轨道运行段、过渡段和大气内再入飞行段。其中过渡段是轨道运行段和再入飞行段的衔接段，主要任务是通过离轨制动控制使飞行器运动轨迹进入大气层，基本原理是利用制动发动机产生推力减小其飞行速度，使其进入给定的再入点范围，制动控制的精度直接决定了进入再入点的精度，从而进一步影响再入段制导和着陆精度，因此离轨制动对飞行器是否能成功返回着陆有至关重要的作用。当再入飞行器有临时紧急任务时，需要进行应急制动返回控制，目前国内针对多着落机场的应急返回轨道设计研究较少，也尚未见公开发表相关报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供应急再入返回轨道设计方法，解决了天地往返飞行器应急返回的轨道设计和机场选择问题，为在规定时间内快速离轨制动控制提供条件。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种星上自主应急再入返回轨道设计方法，包括如下步骤：
步骤一、根据着陆主备各机场的经纬度，计算各机场的应急离轨窗口；
首先计算各目标机场对应的升交点地理经度，即为0横程对应的地理经度；其次根据再入飞行器应急情况下最大横向机动能力，计算各机场对应的最大和最小升交点地理经度范围，进而获得各机场的应急离轨窗口；
步骤二、计算再入飞行器当前轨道到各应急离轨窗口的时间，若其最小时间在给定离轨时间内，则该最小时间对应的机场为应急机场，飞行器按照当前轨道在所述的最小时间飞至对应的应急离轨窗口；否则，执行步骤三；
步骤三，进行应急返回过渡轨道设计，通过在过渡轨道飞行，使再入飞行器在指定时间内进入应急离轨窗口。
优选的，应急离轨窗口中心点计算如下：
Figure BDA0002392808130000021
上式中，λ0为应急离轨窗口中心点，λe为再入点地理经度，
Figure BDA0002392808130000022
为再入点地理纬度，ue为从赤道到再入点的纬度幅角。
优选的，应急离轨窗口宽度计算如下：
Figure BDA0002392808130000023
上式中，Δλ为应急离轨窗口宽度，ΔH为再入飞行器最大横向机动距离，a当前轨道半长轴，i为当前轨道倾角。
优选的，通过下述方式计算再入飞行器当前轨道到各应急离轨窗口的时间：
根据飞行器最近一次过升交点时地理经度λ0，推导N圈之后飞行器的升交点经度λN；再结合各机场应急离轨窗口对应的升交点地理经度范围，获得从当前位置进入各机场应急离轨窗口需要飞行的圈数N，进而根据当前轨道周期得到再入飞行器从当前轨道到各应急离轨窗口的时间。
优选的，N圈之后飞行器的升交点经度λN推导关系式如下：
Figure BDA0002392808130000024
其中，ωe＝7.292115×10-5rad/s为地球转速；
Figure BDA0002392808130000025
为轨道节线进动的平均速率；TN为轨道运动的节点周期。
优选的，步骤三中采用应急返回过渡轨道设计，通过机动至过渡轨道，满足在给定离轨时间内能够达到应急离轨窗口。
优选的，步骤三具体实现步骤如下：
假设再入飞行器恰好在给定的离轨时间内进入离轨窗口，分别计算主或备机场对应的过渡轨道半长轴，选择半长轴调整量小的过渡轨道作为应急返回过渡轨道，对应机场作为再入机场。
优选的，所述半长轴调整量的计算公式如下：
Figure BDA0002392808130000031
其中λc为在过渡轨道N圈之后飞行器升交点经度，即离轨窗口标称经度；
λN为在当前轨道N圈之后飞行器升交点经度；a为半长轴。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明以升交点地理经度作为应急再入窗口计算方法，获得了再入飞行器最大横向机动能力情况下，进行应急返回的最大再入窗口，具有计算简单可靠，物理意义更直观，便于星载计算机自主实现；
(2)本发明采计算当前轨道到各应急离轨窗口的时间计算方法，得到了从当轨道到与应急离轨窗口的最短飞行时间，可以快速判断当前轨道是否能在给定时间进入离轨窗口，并完成多机场的最优选择；
(3)本发明过渡轨道设计方法，通过调整半长轴实现了从当前轨道加速进入应急再入窗口的过程，该方法具有计算简单、节省燃耗等。
附图说明
图1为应急再入返回轨道设计示意图。
图2为应急离轨窗口示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1、2所示应急再入返回轨道设计示意图和应急离轨窗口示意图，由图可知由着陆机场地理参数，获得各应急窗口，通过调整当前轨道，使再入飞行器快速进入离轨窗口，通过离轨制动控制和再入返回控制，实现返回应急机场。具体步骤如下：
1、根据着陆主备各机场的经纬度，计算对应的应急离轨窗口
根据再入飞行器的轨道特性、机场及纵横程要求，设计应急离轨窗口。由飞行器在轨飞行的特性和固定机场目标等要求，将离轨窗口设计为升交点地理经度范围。
首先计算各目标机场对应的升交点地理经度，作为应急离轨窗口中心点；其次根据再入飞行器应急情况下最大横向机动能力，计算各机场对应的最大升交点地理经度范围，进而获得各机场的应急离轨窗口。
应急离轨窗口中心点计算如下：
Figure BDA0002392808130000041
上式中，λ0为应急离轨窗口中心点，λe为再入点地理经度，
Figure BDA0002392808130000042
为再入点地理纬度，ue为从赤道到再入点的纬度幅角。
应急离轨窗口宽度计算如下：
Figure BDA0002392808130000043
上式中，Δλ为应急离轨窗口宽度，ΔH为再入飞行器横向机动距离，a当前轨道半长轴，i为当前轨道倾角。
2、计算当前轨道到各应急离轨窗口的时间
再入飞行器需要在应急返回给定的时间内进入应急离轨窗口进行制动返回控制。假设飞行器最近一次过升交点时的地理经度为λ0，那么N圈之后升交点经度λN为：
Figure BDA0002392808130000044
其中，ωe＝7.292115×10-5rad/s为地球转速；
Figure BDA0002392808130000045
为轨道节线进动的平均速率；TN为轨道运动的节点周期。
Figure BDA0002392808130000051
Figure BDA0002392808130000052
其中，a为轨道的轨道半长轴；i为轨道倾角；e为轨道偏心率；Re＝6378137m为地球半径；J2＝1.0826361×10-3；
Figure BDA0002392808130000053
为轨道平均转速，μ＝3.98600436×1014m3/s2为地球引力常数。
通过对N进行计算，结合当前轨道周期，得到进入各机场再入窗口的时间，以最近时间对应的机场作为应急再入机场。
3、进行应急返回过渡轨道设计，通过在过渡轨道飞行，使再入飞行器在指定时间内进入应急离轨窗口。
若在给定离轨时间内λN都无法达到离轨窗口，则需要设计过渡轨道，通过机动至过渡轨道来改变飞行器升交点地理经度，使其进入离轨窗口，假设再入飞行器恰好在给定的离轨时间内进入离轨窗口。
修正轨道升交点地理经度采用调整半长轴的方式，假设飞行器当前升交点地理经度为λ0，若要使N圈之后飞行器升交点经度达到λc，即
Figure BDA0002392808130000054
将TN和
Figure BDA0002392808130000055
代入方程(1)，得到方程如下：
Figure BDA0002392808130000056
令：
Figure BDA0002392808130000057
Figure BDA0002392808130000058
Figure BDA0002392808130000059
则方程可化为：
Figure BDA0002392808130000061
对半长轴a求导数，得到方程如下：
Figure BDA0002392808130000062
若要求在N圈内升交点经度调整Δλc，那么半长轴的调整量为
Figure BDA0002392808130000063
分别计算各机场对应的半长轴调整量Δa，选择半长轴调整量小的作为应急返回过渡轨道，对应机场作为再入机场。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种星上自主应急再入返回轨道设计方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、根据着陆主备各机场的经纬度，计算各机场的应急离轨窗口；
首先计算各目标机场对应的升交点地理经度，即为0横程对应的地理经度；其次根据再入飞行器应急情况下最大横向机动能力，计算各机场对应的最大和最小升交点地理经度范围，进而获得各机场的应急离轨窗口；
步骤二、计算再入飞行器当前轨道到各应急离轨窗口的时间，若其最小时间在给定离轨时间内，则该最小时间对应的机场为应急机场，飞行器按照当前轨道在所述的最小时间飞至对应的应急离轨窗口；否则，执行步骤三；
步骤三，进行应急返回过渡轨道设计，通过在过渡轨道飞行，使再入飞行器在指定时间内进入应急离轨窗口；步骤三具体实现步骤如下：
假设再入飞行器恰好在给定的离轨时间内进入离轨窗口，分别计算主或备机场对应的过渡轨道半长轴，选择半长轴调整量小的过渡轨道作为应急返回过渡轨道，对应机场作为再入机场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：应急离轨窗口中心点计算如下：
Figure FDA0003050332060000011
上式中，λ0为应急离轨窗口中心点，λe为再入点地理经度，
Figure FDA0003050332060000012
为再入点地理纬度，ue为从赤道到再入点的纬度幅角。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：应急离轨窗口宽度计算如下：
Figure FDA0003050332060000013
上式中，Δλ为应急离轨窗口宽度，ΔH为再入飞行器最大横向机动距离，a当前轨道半长轴，i为当前轨道倾角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过下述方式计算再入飞行器当前轨道到各应急离轨窗口的时间：
根据飞行器最近一次过升交点时地理经度λ0，推导N圈之后飞行器的升交点经度λN；再结合各机场应急离轨窗口对应的升交点地理经度范围，获得从当前位置进入各机场应急离轨窗口需要飞行的圈数N，进而根据当前轨道周期得到再入飞行器从当前轨道到各应急离轨窗口的时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：N圈之后飞行器的升交点经度λN推导关系式如下：
Figure FDA0003050332060000021
其中，ωe＝7.292115×10-5rad/s为地球转速；
Figure FDA0003050332060000022
为轨道节线进动的平均速率；TN为轨道运动的节点周期。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中采用应急返回过渡轨道设计，通过机动至过渡轨道，满足在给定离轨时间内能够达到应急离轨窗口。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述半长轴调整量的计算公式如下：
Figure FDA0003050332060000023
其中λc为在过渡轨道N圈之后飞行器升交点经度，即离轨窗口标称经度；
λN为在当前轨道N圈之后飞行器升交点经度；a为半长轴。
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