[发明专利]一种采用电推进/太阳帆推进的混合连续小推力轨道设计方法

说明书

本发明公开了一种采用电推进/太阳帆推进的混合连续小推力轨道设计方法，首先建立虚拟引力场动力学模型；其次建立在虚拟引力场中的切向推力轨道动力学模型，求解其解析解；然后对所求得的解析解进行精度分析；最后建立轨道优化模型，采用电推进/太阳帆推进的混合连续小推力方法进行轨道优化。本发明在保证精度的条件下，能够大大的减小计算量，能够减小实现轨道转移所需的推力，扩大了小推力轨道应用的范围。

技术领域

本发明属于航天技术开发领域，具体涉及一种采用电推进/太阳帆推进的混合连续小推力轨道设计方法。

背景技术

连续小推力轨道设计在空间机动轨道设计方面有广泛的应用。与传统脉冲推力或大推力相比，连续小推力轨道机动容易控制，机动能力强；另外其比冲小，实现轨道机动所需要的燃料很少，因而成为研究热点。Mcinnes首次提出了使用太阳帆来改变引力场的大小，设计了悬浮轨道，并推导了实现悬浮轨道的所需推力的解析解。进一步，Malcolm等采用太阳帆产生切向固定推力，设计了从地球轨道到太阳极轨的转移轨道，并进一步解决了轨道优化问题。然而，由于单独采用电推进或者太阳帆产生的推力较小，轨道转移常常需要很长时间。针对这个问题，Mengali和Quarta提出了太阳帆和太阳帆电推进结合的混合推进方法，并采用间接优化方法进行了轨道优化。其中，太阳帆产生径向推力，用于改变引力场的引力常数，而于此同时电推进产生固定切向推力。在假定太阳帆能够产生50％的中心引力(μ₂＝0.5μ₁)的条件下，混合推力能够减少燃料的消耗并且缩短空间机动任务时间。然而该方法是作为一种间接优化方法，并没有考虑推力约束问题，很难应用于实际空间机动轨道设计中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用电推进/太阳帆推进的混合连续小推力轨道设计方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明在保证精度的条件下，能够大大的减小计算量，能够减小实现轨道转移所需的推力，扩大了小推力轨道应用的范围。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用电推进/太阳帆推进的混合连续小推力轨道设计方法，包括如下步骤：

1)建立虚拟引力场动力学模型；

2)建立在虚拟引力场中的切向推力轨道动力学模型，求解其解析解；

3)对所求得的解析解进行精度分析；

4)采用电推进/太阳帆推进的混合连续小推力方法进行轨道优化。

进一步地，步骤1)具体为：

设定地心引力场引力常数为μ₁，航天器在地心惯性坐标系下位置矢量为假定在航天器上施加推力加速度为则有：

假设地心惯性坐标系为OXYZ，虚拟中心引力场坐标系为O′X′Y′Z′，推力与地心引力场的合力形成的虚拟中心引力场参数为则在虚拟中心引力场坐标系下有：

设在特定虚拟中心引力场中，为定值，则地心惯性坐标系下航天器位置和速度与虚拟中心引力场坐标系下位置和速度转化关系为：

其中，v₁为航天器在实际引力场中的速度，v₂为航天器在虚拟引力场中的速度，由式(2)，式(3)，在虚拟中心引力场坐标系下，航天器运动方程表示为如下形式：

其中μ₂为虚拟引力场常数，实现虚拟中心引力场所需推力由下式得到，

将式(3)带入式(5)，为实际引力场中的引力，而为虚拟引力场中的引力，则需要实现的推力为：