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空间飞行器设计-第9讲.ppt

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空间飞行器设计-第9讲

第9 讲 航天器 轨道运行原理 9. 2 轨道运动方程及其解 9. 3 轨道特性 [例9-1] 设某时刻测得某地球卫星位置和速度矢量分别为: [例9-2] 从离地面200km上空的圆形轨道(停泊轨道、驻留轨道)上,将一空间探测器发射到逃逸轨道上。 习题9.1 一地面观测站观测到某卫星高度为637.815km,速度v=7.905km/s,航迹倾角θ=0,试确定下列参数: 9.3.4 航天器动力学方程 (1)质心运动动力学方程 航天器在绕某星体运动过程中,受星体引力作用,为改变轨道还要受发动机推力P和其他外力F作用。因此,由二体系统基本运动微分方程,航天器在与星体固连的不旋转坐标系(惯性系)内运动方程为: 其动力学方程应为: 利用 质心相对运动的动力学方程为: 有 二体问题中物体绕中心引力体的运动在固定(轨道)平面内进行。在以中心引力体为原点的惯性系中,确定轨道平面方位需2个角度;确定圆锥曲线形状与大小需2个参数(e,a);确定圆锥曲线在轨道平面内方位需1个角参数;加上一个时间参数。 9.4.2 基 本 轨 道 要 素 六个基本轨道要素 a——半长轴。确定轨道大小。 e——偏心率。确定轨道形状。 i——轨道倾角。地心赤道平面与轨道面夹角,即单位矢量K与h间夹角。 Ω——升交点黄经。升交点矢径与单位矢量I间夹角。 ω——近拱点角距。轨道平面内由升交点到近拱点的转角。 τ——航天器在近拱点时刻。 基本轨道要素并非惟一的。只要是能确定轨道大小、形状、方位的独立参数均可。 如可用半通径 p 代替半长轴 a ; 可用近拱点黄经Π(单位矢量I与近拱点夹角)代替近拱点角距ω,并且 Π=Ω+ω 若近拱点不存在(圆轨道),则Π、ω均无意义;若升交点不存在(赤道轨道),Ω=0, Π=ω 。 轨道要素与位置、速度关系 航天器绕中心引力体运动时,其瞬时位置、速度可同时由两组参数描述: (1) 直角坐标(rI,rJ,rK),(VI,VJ,VK); (2) 基本轨道要素(a, e, i,Ω,ω,τ) 其间存在一一对应关系。 轨道倾角i是K与h间夹角 升交点黄经 Ω 是n与I间夹角 近拱点角 ω 是e与n间夹角 ν0 是 e 与 t0 瞬时矢径 r 间夹角 u0 是 r 与 n 间夹角 [例9.3] 某雷达跟踪一流星,由跟踪数据得到下列地心赤道坐标系内的星体惯性位置和速度矢量, [解]:先求比角动量 h=r×V=2K DU2/TU p=h2/μ=4 DU 可求得偏心率 e = 1J = e = 1,h≠0 该流星轨道为抛物线,半长轴 a = ∞ i= cos-1(h.K/h)=0 在赤道平面内运动。 因轨道平面处于赤道平面内。故不存在升交点,Ω无意义。 交点线也不存在,n不存在,ω无意义。 只能改以近拱点黄经Π代替。 Π=cos-1(e.I/e)=90o, 即近拱点在J轴上。 真近点角v0=0o, 说明该流星正处于近拱点处。 9.5 轨道机动 航天器与自然天体不同,因其质量较小,可人为地加以控制改变其运动轨道,完成各种使命。 航天器在控制系统作用下使其轨道按人们的要求发生改变,称为轨道机动。 轨道机动包括:轨道改变(或调整)和轨道转移。 轨道机动前的轨道称初始(驻留、停泊)轨道;新要求的轨道称终(预定)轨道。 9.5.1 轨道改变(共面) 设两轨道(I和II)是以地心为焦点的椭圆,半通径分别为p1,p2;偏心率分别为e1,e2;长轴间夹角为φ,运动方向相同。 要实施轨道I向轨道II的改变,只需在两个椭圆的交点Q处施加一次冲量,将其速度由vI变为vII。 该交点Q称变轨点。 速度增量为 Δv = vI-vII。 设轨道的半通径为p,偏心率为e,要求在近地点或远地点实施变轨,使其进入一条同向圆形轨道。 9.5.2 共面轨道转移 应用较多的是Hohmann转移。 霍曼转移是最常见的轨道机动方法之一。主要研究共面同心(同向)圆轨道间的最小能量转移问题。其特点是转移椭圆轨道的近地点与远地点分别与原轨道相切,又称双共切椭圆轨道。 讨论与引申: 霍曼转移也适用于高轨道到低轨道转移(向内转移);此时

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