我國航天器軌道控制系統(tǒng)及發(fā)展趨勢

艾奇 武靜

摘 要 航天器控制技術(shù)是決定航天器發(fā)展水平的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過對航天器的有效控制，在不影響其他性能的前提下，改變其質(zhì)心運(yùn)動軌道，并進(jìn)行軌道機(jī)動和修正。如果航天器受到外部因素的影響，出現(xiàn)了偏離軌道的現(xiàn)象，或者必須換軌飛行的時候，就必須對其加以控制，使航天器質(zhì)心運(yùn)動的速度向量保持在一個穩(wěn)定范圍內(nèi)，航天器軌道控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

【關(guān)鍵詞】航天器控制技術(shù) 運(yùn)動軌道 質(zhì)心運(yùn)動 軌道控制系統(tǒng)

1 航天器的軌道控制的原理和組成

1.1 航天器的軌道控制技術(shù)的基本原理

航天器控制系統(tǒng)主要有三種功能，分別是導(dǎo)航、控制和制導(dǎo)。其中導(dǎo)航功能指的是處理設(shè)備數(shù)據(jù)，并從中得出航天器的位置向量和速度向量，也稱作實(shí)時運(yùn)動參數(shù)和實(shí)時軌道確定。而制導(dǎo)指的是從導(dǎo)航中得出的航天器實(shí)時運(yùn)動參數(shù)，根據(jù)最終目標(biāo)和約束條件確定機(jī)動程序，其后發(fā)出指令以供執(zhí)行。控制指的是改變航天器的飛行速度和方向，通過施加控制力的方法幫助其穩(wěn)定，以便于達(dá)成飛行任務(wù)。

航天器的軌道有兩種，通常情況下，航天器控制系統(tǒng)都是采用噴氣發(fā)動機(jī)和小推力電推進(jìn)器。其軌道分為主動飛行段和被動飛行段。其中主動飛行段點(diǎn)火階段，發(fā)動機(jī)熄火后切換到被動飛行段。

1.2 軌道機(jī)動、軌道維持的內(nèi)容以及常用的控制方法、應(yīng)用領(lǐng)域

軌道控制發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生一定的反作用推力，像返回型偵察衛(wèi)星上的制動火箭、地球靜止衛(wèi)星上的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)和位置保持發(fā)動機(jī)等類型的發(fā)動機(jī)，它們的安裝方式基本都是固定的。因此，想要改變和穩(wěn)定航天器軌道控制力的方向，首先要對航天器的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火的過程中，由于發(fā)動機(jī)推力會產(chǎn)生干擾力矩，姿態(tài)控制系統(tǒng)要克服這一點(diǎn)，確保姿態(tài)的正確性與規(guī)范性，此外，還可采用自旋穩(wěn)定或三軸穩(wěn)定的方式來達(dá)到目的。軌道機(jī)動指的是航天器在軌道之間的切換，在切換過程中需要對其加以控制，使其偏離現(xiàn)有軌道，屬于一種有意操作。有一點(diǎn)需要注意的是，兩個軌道不受平面限制，如果研究對象是返回型偵察衛(wèi)星和載人飛船，為了順利的降落，必須要采用火箭制動，使其沿著運(yùn)行軌道返回。航天飛機(jī)具有多種功能，包括捕捉、施放和回收衛(wèi)星，在太空中還能夠與空間站進(jìn)行對接操作，以及必備的返回地面能力，這說明航天飛機(jī)的軌道控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。

2 應(yīng)用方式

2.1 折疊變軌控制

實(shí)行折疊變軌控制的目的在于改變航天器的速度向量，是在一定的區(qū)間內(nèi)，以便于航天器在自由飛信段進(jìn)行順利的軌道切換，變軌前后的兩個軌道同樣不受平面空間的限制。這種控制方式在地球衛(wèi)星變軌、軌道校正、轉(zhuǎn)移、定點(diǎn)等過程中得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 折疊軌道保持

該種方式的作用是保證衛(wèi)星的軌道要素不變。人造地球衛(wèi)星的軌道保持形式多樣，典型的有地球靜止衛(wèi)星的位置保持、相對于其他衛(wèi)星的位置保持、對地觀測衛(wèi)星的軌道保持以及具有軌道擾動補(bǔ)償器的自主軌道保持等。通過位置保持，我們可以發(fā)現(xiàn)，此時衛(wèi)星與地球的位置是不變的，而此時的軌道周期等于地球自轉(zhuǎn)周期，兩者之間的傾角和偏心率約等于零。除此之外，像通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星和中繼衛(wèi)星等地球衛(wèi)星對于位置的精度要求較高，位置保持的目的在于排除電波干擾因素，有利于地面跟蹤。

2.3 折疊航天器軌道控制系統(tǒng)

在折疊航天器軌道控制系統(tǒng)中，通常需要用到持續(xù)性推進(jìn)器，但就目前的情況來看，我國一般都是采用化學(xué)推進(jìn)器，這種類型的推進(jìn)器長時間處于脈沖工作狀態(tài)。在修正人造地球衛(wèi)星的機(jī)動變軌和行星際航天器的中途軌道時，固體或液體火箭推進(jìn)器是最佳選擇。變軌發(fā)動機(jī)需要進(jìn)行固定安裝，為了改變航天器的速度增量，必須要調(diào)整姿態(tài)、保持推力，確保運(yùn)行方式的穩(wěn)定性。

3 發(fā)展趨勢

近些年，我國科學(xué)技術(shù)不斷更新進(jìn)步，多種應(yīng)用衛(wèi)星的出現(xiàn)，對軌道控制的精度提出了更高的要求。經(jīng)過科學(xué)家的努力，研發(fā)出了一種新型的推進(jìn)技術(shù)：電推進(jìn)，該技術(shù)具有高比沖的優(yōu)勢，受到了多數(shù)發(fā)達(dá)國家的認(rèn)可。要想看一顆衛(wèi)星是否達(dá)標(biāo)，就要從系統(tǒng)質(zhì)量、使用壽命及其載荷方面來衡量。電推進(jìn)系統(tǒng)的工程應(yīng)用，不僅可以節(jié)約推進(jìn)劑、提高壽命，對于未來的深空探測任務(wù)以及電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展也具有重要的意義。

我國進(jìn)行電推進(jìn)的研究已經(jīng)有三十多年的歷史，其中五院510所和八院801所近年來開展了工程樣機(jī)的研制，已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，目前主要性能指標(biāo)已經(jīng)接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，具備了進(jìn)行工程應(yīng)用的基本條件。

而電推進(jìn)系統(tǒng)要投入工程應(yīng)用，除了需要開展電推力器或電推進(jìn)系統(tǒng)本身的研究以外，還需要對電推進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)開展研究，主要是對應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)以后，對整星的布局、控制方案、能源、結(jié)構(gòu)、熱控、可靠性等各方面帶來的影響以及應(yīng)對方案，從而為我國下一步電推進(jìn)系統(tǒng)的工程應(yīng)用工作提供參考。

4 結(jié)束語

綜上所述，從世界范圍來分析，航天技術(shù)日益完善，與此同時航天任務(wù)也日趨復(fù)雜，不僅需要高精度的軌道控制，還需要航天器具備良好的機(jī)動性和自主性。由此可見，我國必須致力于提高軍用衛(wèi)星的自主軌道控制能力，在降低地面依賴的同時，確保衛(wèi)星的安全性與保密性，使其不受其他因素干擾。在未來的發(fā)展中，廣大科研工作者要以自主導(dǎo)航和控制為導(dǎo)向，持續(xù)完善航天器軌道控制技術(shù)，推動我國航天事業(yè)朝著更好的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]張洪波.航天器軌道力學(xué)理論與方法[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[2]袁建平.航天器相對運(yùn)動軌道動力學(xué)[M].北京：中國宇航出版社，2013.

作者單位

上海航天控制技術(shù)研究所 上海市 201109