航天器軌道機動教學內容改革研究

王衛杰 張雅聲 姚紅 張學陽 周?？?/p>

摘? 要：航天器軌道力學是航天領域基礎性學科。軌道機動是軌道力學課程教學的重要組成部分。教材是實施教學的載體，系統梳理典型航天器軌道力學教材及其特點，分別對國外和國內典型軌道力學教材中軌道機動相關章節的內容進行分析，研究歸納出當前軌道機動教學內容存在軌道機動動力來源不統一、軌道改變內涵不明確、軌道調整和調相機動未受普遍關注等問題，進而面向本科教學，突出高階性、創新性和挑戰度，構建軌道機動教學內容的改革思路，以期為軌道力學課程教學改革提供支撐。

關鍵詞：航天器；軌道力學；軌道機動；軌道力學教材；教學內容改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）15-0011-04

Abstract： Orbital mechanics of spacecraft is a basic discipline in the aerospace field. Orbital maneuver is an important part of the teaching of orbital mechanics. Textbooks are the carrier for implementing teaching. This paper systematically sorts out typical orbital mechanics textbooks of spacecraft and their characteristics， analyzes the contents of relevant chapters of orbital maneuver in typical orbital mechanics teaching materials at home and abroad. The study summarizes that the current orbital maneuver teaching content has inconsistent sources of orbital maneuver power， the connotation of orbital change is not clear， and orbital adjustment and phase modulation maneuvers have not received widespread attention. In order to provide support for the teaching reform of orbital mechanics， we should focus on undergraduate teaching， highlight the high order， innovation and challenges， and build a reform idea for the teaching content of orbital maneuver.

Keywords： spacecraft; Orbital Mechanics; Orbital Maneuvers; orbital mechanics textbook; teaching content reform

軌道力學（Orbital Mechanics）是以剛體航天器為研究對象，以高等數學、經典力學、控制理論為基礎，分析它們在萬有引力及其他內外力作用下的運動特性和控制規律的一門科學，是天體力學在航天領域的具體應用。自1957年第一顆人造地球衛星發射成功以來，軌道力學逐步發展成為與航天工程實踐密切相聯系的學科，在航天任務設計、航天測控、航天器應用等方面具有重要的地位和作用。軌道力學課程也是培養航天工程技術和指揮管理人才必須開設的一門專業基礎課程。

軌道機動（Orbital maneuvers）是指航天器在控制系統作用下有目的地改變其軌道參數，是人造天體與自然天體本質性的區別。目前對航天器可控機動飛行的研究已形成一個新的研究領域，成為天體力學的一個新分支即應用天體力學。軌道機動理論和方法是培養學員知天、用天能力的重要知識基礎，科學系統的軌道機動教學內容是提高人才培養質量的前提。教材是教學內容的集中展現，是實施教學的載體，直接關系著教學質量。在系統梳理國內外典型航天器軌道力學教材基礎上，深入分析其中軌道機動相關內容的特點，研究總結出當前軌道機動教學內容存在的問題，進而面向本科教學，突出高階性、創新性和挑戰度，構建軌道機動教學內容的改革思路。

一? 典型軌道力學教材梳理

航天技術是一個國家現代技術綜合發展水平的重要標志，培養高素質航天人才是建設航天強國的基礎性工程。目前，國內外主要的航空航天類院校，如哈爾濱工業大學、西北工業大學、國防科技大學、美國麻省理工學院、美國安柏瑞德航空航天大學和美國空軍學院等國內外航天名校，均開設了軌道力學相關的課程。不同的學者和機構對軌道力學課程或教材名稱稱呼略有不同[1]，除軌道力學外，常見的名稱還有軌道動力學（Orbital dynamics）、航天動力學（Astrodynamics）等，表1給出了國內外代表性的航天器軌道力學教材。

表1所示的軌道力學系列教材中，An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics作為麻省理工學院的航天動力學課程教材，重在數學方法的介紹和基本概念的闡述，公式推導簡潔明了，已經倪彥碩等人翻譯為中文版[2]，但其內容章節編排和其余教材差異較大，故不作進一步討論。

張洪波在《航天器軌道力學理論與方法》[3]中論述到，軌道力學的研究內容可分為軌道動力學和軌道控制兩部分。楊嘉墀在《航天器軌道動力學與控制》[4]中指出，軌道動力學主要是研究航天器在重力場和其他外力作用下的質點動力學問題；而航天器的軌道控制則研究對航天器的質心主動施加外力，使之按需要改變運動軌道的理論和技術。軌道力學的經典研究內容則包括二體軌道、軌道確定、軌道攝動、軌道機動、軌道設計、行星際和探月軌道等部分。根據上述定義，經典軌道力學內容體系中，最能體現軌道控制的為軌道機動，一定程度上軌道控制也可稱之為軌道機動。但對比分析七部教材內容，發現在軌道機動部分卻存在較大差異，為促進軌道力學教學內容改革，本文就此問題展開探究。

二? 國外教材軌道機動內容分析

（一）? 柯蒂斯《軌道力學》

柯蒂斯是美國安柏瑞德航空航天大學教授。該大學是一所世界知名的以航空航天為特色的私立大學?？碌偎埂盾壍懒W》出版的目的是為工科本科生傳授航天力學的理論和方法，它不是針對研究生、研究人員和經驗豐富的從業者，而是專門面向航天工程類本科生。

柯蒂斯《軌道力學》目前已發行了4版，其中第一版于2005年發行，并由周建華等人于2009年翻譯成中文版，最新的第4版于2020年發行[5]?？碌偎埂盾壍懒W》鮮明的特點是采用“teach-by-example”教學方法，強調分析過程和計算機實現的算法，包含了大量的例題和Matlab仿真程序，課程教學材料均可通過Elsevier網站獲?。ǖ菍ξ覈邢拗疲瑑热葜黧w是質心軌道力學，但也包括了航天器姿態動力學和火箭動力學。

柯蒂斯《軌道力學》（第四版）沒有三節標題，“軌道機動”安排在第6章，編排了10小節內容：①引言；②脈沖機動；③霍曼轉移；④雙橢圓霍曼轉移；⑤調相機動；⑥共拱線的非霍曼轉移；⑦拱線轉動；⑧追擊，即軌道攔截；⑨非共面機動；⑩非脈沖軌道機動?？碌偎拱娼滩木劢姑}沖軌道機動，顯著特色是包括調相機動的內容。

（二）? AIAA《軌道力學》

AIAA《軌道力學》是美國航空航天學會（AIAA）出版的航天領域系列教材[6]，由加州大學洛杉磯分校的Chobotov編寫，截至2002年已發行三個版本。相比柯蒂斯《軌道力學》，AIAA《軌道力學》內容覆蓋更廣，比如多了小推力軌道機動、軌道覆蓋、軌道系統等，但少了軌道確定部分，同時很多內容是結論性給出，缺乏必要的推導，所以可讀性較差。

AIAA《軌道力學》（第三版）“軌道機動”安排在第5章，分為10小節內容：①軌道能量；②單脈沖轉移；③單脈沖和雙脈沖轉移比較；④霍曼轉移；⑤雙橢圓轉移；⑥圓形軌道的受限三沖量平面改變機動；⑦圓形軌道的一般三沖量平面改變機動；⑧帶分離平面改變的Hohmann轉移；⑨帶分離平面改變的雙橢圓轉移；⑩共面橢圓軌道間的轉移。AIAA版教材側重脈沖作用下的軌道轉移和軌道改變，尤其是對軌道面機動區分較細。

（三）? 美國空軍學院《航天動力學基礎》

美國空軍學院出版的軌道力學教材名稱為《航天動力學基礎》，即表1中由Bate編寫的Fundamentals of Astrodynamics[7]，2020年發行了該教材的第2版。美國空軍學院是專門為美國空軍和太空軍培養航天人才的院校，所以該教材軍事特色顯著，其扉頁寫到“This Textbook is dedicated to the members of the United Sates Air Force who have died in combat， are missing in action， or are prisoners of war”，帶有明顯的課程思政性質。

美空版《航天動力學基礎學》（第二版）中“軌道機動”安排在第3章，章標題為“基礎軌道機動”，從中即可看出該教材對軌道機動不做系統性深入研究，具體編排了5節內容：①歷史背景；②低地球軌道，包括軌道高度對衛星壽命的影響、直接上升到軌道、近地軌道地球非球形攝動；③高地球軌道，包括地球靜止軌道、發射高軌衛星用的上升橢圓；④平面內軌道改變，包括近地點和遠地點的軌道高度調整、霍曼轉移、一般共面圓軌道之間的轉移；⑤平面外軌道改變。分析發現，美空版教材是從軌道發射和運行的角度研究軌道機動的問題，包含了攝動作用下的軌道調整、共面軌道轉移和軌道面改變。

三? 國內教材軌道機動內容分析

（一）? 郗曉寧《近地航天器軌道基礎》

國防科技大學郗曉寧版《近地航天器軌道基礎》[8]第十章為“軌道機動”，分為5節內容：①軌道調整，以攝動分析法研究軌道周期、長半軸、偏心率、升交點赤經與傾角等軌道根數的調整；②軌道改變，包括共面軌道改變、軌道面改變，以及非共面軌道改變的一般情況；③軌道轉移，包括霍曼轉移、雙橢圓轉移、共面橢圓軌道之間的轉移，以及不同半徑的非共面圓軌道之間的轉移；④軌道攔截，包括最小能量攔截軌道和固定時間攔截軌道；⑤星座軌道控制。郗曉寧版教材的特點是概念簡明扼要，學員容易記憶。

航天工程大學張雅聲版《航天器軌道理論與應用》[9]第五章“脈沖軌道機動”主體沿襲了郗曉寧教材的架構，改動之處在于刪掉了第5節，新增了第1節“軌道機動的含義”，軌道機動的核心內容變化不大，故不再贅述。

（二）? 張洪波《航天器軌道力學理論與方法》

國防科技大學張洪波版《航天器軌道力學理論與方法》[3]中，軌道機動相關的內容編排了三章，分別為第九章“脈沖推力軌道機動”、第十章“有限推力軌道機動”、第十一章“小推力軌道機動”，有限推力和小推力可統稱為連續推力。其中，第九章與其他教材內容對應，分為4節內容：①軌道機動的分類；②軌道改變，該節包含了前述兩部教材軌道改變和軌道攔截的內容；③軌道轉移；④軌道調整。

經對比分析，上述三部教材在軌道機動分類方法和教學內容上有諸多相似之處，主要原因是三位作者求學或工作經歷均出自國防科技大學，源自同一脈絡。

（三）? 哈爾濱工業大學《航天器軌道動力學》

哈爾濱工業大學趙鈞版《航天器軌道動力學》[10]中，第四章“航天器的軌道機動”分為5節內容：①單脈沖機動，包括同平面脈沖機動、異面軌道間的單脈沖機動、脈沖機動的能量消耗；②同平面的軌道機動，包括霍曼過渡、同軸橢圓軌道之間的過渡（同向）；③航天器的軌道攔截，包括圓軌道上的攔截、橢圓軌道上的攔截、異面軌道的攔截；④氣動力輔助軌道機動；⑤連續作用力下的軌道機動。從中可以看出，趙均版教材軌道機動內容涵蓋面較廣，但具體內容論述不夠系統深入，顯著特點是將氣動力等外部環境力作為機動動力。

四? 軌道機動教學內容改革

（一）? 軌道機動的定義

要科學界定軌道機動的教學內容，首先要理清軌道機動的內涵。不同的教材對軌道機動定義略有區別?？碌偎埂盾壍懒W》表述為軌道機動是使航天器從一個軌道轉移到另一個軌道上。AIAA版教材表述為通過改變速度將衛星從一個軌道轉移到另一軌道。郗曉寧《近地航天器軌道基礎》表述為軌道機動是指衛星在控制系統作用下改變其軌道根數。趙鈞《航天器軌道動力學》表述為航天器主動改變原來軌道的運動狀態的過程，或者改變原來兩體意義下軌道的根數的過程。綜合上述定義，軌道機動有兩個層面的含義：一是航天器軌道根數發生了改變；二是這種改變是航天器主動為之，即是在航天器自身控制系統作用下發生的有意改變。明確了軌道機動的定義，再分析當前軌道力學教材中存在的問題。

（二）? 典型教材中軌道機動存在的幾點問題

1? 軌道機動動力來源不統一

航天器軌道機動依賴于控制系統自身產生的驅動力，據此分析，上述教材在對軌道機動動力源劃分上存在兩個值得商榷的問題。一是趙均版教材將氣動力、引力、光輻射等外部環境作用力作為動力源。事實上，這些外部環境作用力在軌道力學中通常歸為攝動力，如大氣阻力攝動、地球非球形引力攝動、三體引力攝動，以及太陽輻射光壓攝動等。二是張洪波版教材將化學推進系統產生的推力稱為有限推力，將電推進等新型推進系統產生的推力稱為小推力，二者本質上均為連續推力，只是推力產生的介質和大小不同。

綜上所述，將航天器控制系統提供的動力分為脈沖推力和連續推力更為合理，其中脈沖推力軌道機動難度較低，適合面向本科教學；連續推力軌道機動則難度較大，更適合研究生教學。目前面向本科生的教材，亦較少涉及連續推力。同時也有必要給學生概述性介紹軌道機動的定義和類型，讓學生知道脈沖機動和連續推力機動的區別和應用場景。

2? 軌道改變的內涵不明確

以郗曉寧版為代表的國防科技大學派教材，將軌道改變列為軌道機動的四種類型之一。而這一分法存在明顯的問題，首先軌道機動的定義即航天器軌道根數在控制系統作用下發生改變，一定意義上講，軌道機動就是軌道改變?？赡苁钦J識到了這一問題，同為國防科技大學派的張洪波版教材已將軌道攔截納入軌道改變的范疇，其依據是將軌道改變定義為：初、終軌道相切，只需一次脈沖作用即可由初軌道進入終軌道的軌道機動。這一定義顯然淡化了軌道攔截的作用和約束。同時，軌道根數改變中軌道傾角和軌道升交點的改變引起軌道面的調整，脈沖速度從軌道面內的二維分量拓撲到三維空間，難度加大，適合作為單獨的內容模塊。這大概也是國外軌道力學教材中均未專門將軌道改變作為一種軌道機動類型、卻突出軌道面改變的原因。

3? 軌道調整未受普遍關注

軌道調整的內容出現在美空版和國防科技大學派教材中，其用途是消除軌道根數的微小偏差，所用的脈沖速度較小，相應的脈沖推力可視為攝動力，因而可以用軌道攝動分析方法進行研究，這與其他軌道機動類型研究時用的矢量分析法存在著明顯區別。軌道調整在軌道捕獲、軌道保持等方面有著重要的用途，但是柯蒂斯版、AIAA版以及趙鈞版等教材中則未體現這方面的內容。

4? 柯蒂斯“獨唱”的調相機動

調相機動可視為一種雙脈沖霍曼轉移，但通常霍曼轉移的前提是航天器初、終軌道不相交，而調相機動前后，航天器則運行在同一條軌道。調相機動在星座/星群的構型維持、同一軌道兩航天器的交會、地球同步軌道衛星的位置調整等方面有著廣泛的應用。另外，我們知道地球上一個物體想要追上前方的另一物體，需要通過加速來實現，而在地球軌道上，則需要減速來實現，調相機動的這一特征能夠讓學生很好地認識天體運行的奧妙。作為一類非常能體現軌道運行特色并且有著廣泛用途的機動方式僅在柯蒂斯版教材中出現，實屬遺憾，因此有必要將調相機動作為軌道機動教學內容的一部分。

（三）? ?軌道機動的教學內容改革思路

綜合上述分析，為落實教育部關于本科課程教學“高階性、創新性、挑戰度”要求，以全面夯實學員軌道機動教學內容理論基礎，提升學員航天工程實踐能力，培塑學員科學思維和創新素養為導向，面向本科學員軌道力學課程專業教學需求，充分吸納國內外軌道力學領域經典教材的優長，為解決當前軌道機動教學內容存在的問題，制定教學內容改革技術路線，基本思路是以脈沖作用次數和特征速度求解為主線，以軌道面內和軌道面外機動為任務剖面構建內容模塊，見表2。在實際教學中，可根據學時優化重組教學內容的編排。

為提升軌道機動教學效果，在具體教學方法手段上，應注重基于STK/Astrogator等專業軟件的仿真實驗教學，具體可參閱相關文獻[11]，此處不再贅述。

五? 結束語

為更好地促進航天器軌道力學課程教學，開展軌道機動教學內容改革研究。系統梳理了國內外航天器軌道力學教材，并就其軌道機動相關章節的內容進行分析，研究總結出了當前軌道機動教學內容存在軌道機動動力來源不統一、軌道改變內涵不明確、軌道調整和調相機動未受普遍關注等問題，以本科生為教學對象，落實課程建設“兩性一度”的總要求，構建了軌道機動教學內容的改革思路。

參考文獻：

[1] 黨朝輝.航天器軌道動力學之“動”在何處[J].力學與實踐，2019（5）：107-109.

[2] [美]理查德·H·巴廷.航天動力學的數學方法（修訂版）[M].倪彥碩，蔣方華，李俊峰，譯.北京：中國宇航出版社，2018.

[3] 張洪波.航天器軌道力學理論與方法[M].北京：國防工業出版社，2015.

[4] 楊嘉墀.航天器軌道動力學與控制[M].北京：中國宇航出版社，2005.

[5] CURTIS H D. Orbital Mechanics for Engineering Students （4ed）[M]. United Kingdom： Butterworth-Heinemann， 2020.

[6] CHOBOTOV V A. Orbital Mechanics（3ed）[M]. Virginia： AIAA，2002.

[7] BATE R R， MUELLER D D， WHITE J E， et al. Fundamentals of Astrodynamics （2ed）[M]. New York： Dover Publications，2020.

[8] 郗曉寧，王威.近地航天器軌道基礎[M].長沙：國防科技大學出版社，2003.

[9] 張雅聲，徐艷麗，楊慶.航天器軌道理論與應用[M].北京：清華大學出版社，2020.

[10] 趙鈞.航天器軌道動力學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2010.

[11] 王衛杰，張雅聲，任元，等.基于STK的航天器軌道動力學仿真教學方法研究[J].實驗技術與管理，2020，37（5）：181-185.