太阳帆航天器移位轨道设计

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1、第21卷第6期航天器工程Vo1．21No．62012年12月SPACECRAFTENGINEERING25太阳帆航天器移位轨道设计钱航郑建华。于锡峥。高东(1中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190)(2中国科学院大学，北京100190)(3航天飞行动力学技术重点实验室，北京100094)摘要研究了太阳帆日心移位轨道的稳定性、控制律设计及轨道拼接。将柱坐标形式的太阳帆动力学方程在参考移位轨道附近线性化，得到线性变分方程。分析线性变分方程的特征值在复数平面上的位置就可以得到移位轨道的稳定性条件。设计了太阳帆日心移位轨道的控

2、制律，并证明了控制律满足稳定性条件。该控制律仅要求太阳帆在移位轨道飞行时姿态角a保持不变。此外，太阳帆移位轨道可以与开普勒轨道相互转化，也可以与移位轨道之间相互拼接。关键词太阳帆；移位轨道；稳定性；控制律；轨道拼接中图分类号：V529．1文献标志码：ADOI：10．3969／j．issn．1673—8748．2012．06．003SolarSailSpacecraftDisplacedOrbitDesignQIANHang’’。ZHENGJianhua’。YUXizheng’。GAODong(1CenterforSpaceScie

3、nceandAppliedResearch，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)(2UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China)(3ScienceandTechnologyonAerospaceFlightDynamicsLaboratory，Beijing100094，China)Abstract：TheissuesofsolarsailspacecraftSun-centreddisplacedorbit

4、stability，controlandpatcharestudied．Bylinearizingthemodelalongthenominalorbit，thelinearvariationalequationisdeduced．Thestabilitycharacteristicsofthedisplacedorbitcanbeinvestigatedbyanalyzingei—genvaluesinthecomplexplane．ThecontrollawofsolarsailSun—centreddisplacedorbi

5、tisde—signedandprovedstable．Thiscontrollawonlyrequiresattitudeangleakeepingfixed．Besides，Sun-centreddisplacedorbitscanbepatchedtoKeplerianorbits，andalsocanbepatchedtogether．Keywords：solarsail；displacedorbit；stability；controllaw；patchedorbit和英国都对太阳帆推进技术开展了理论和工程研1引言究，20

6、10年日本太阳帆——太阳辐射驱动星际风筝航天器(IKAROS)在世界上首次实现了在轨展开虽然太阳光压力很小，但持续加速可使太阳帆且成功飞行u]。航天器在长时间后获得相当可观的速度，因此太阳目前航天任务中绝大部分轨道设计和控制的方帆非常适用于深空探测。美国、日本、俄罗斯、德国法都是基于开普勒轨道理论。随着深空探测的深入收稿日期：2012—10—08；修回日期：2010—10—23基金项目：太阳帆民用航天资助项目，航天飞行动力学技术重点实验室开放基金资助项目(2012afd1028)作者简介：钱,~(1987-)，男，博士研究生，研究

7、方向为太阳帆航天器轨道和姿态动力学控制与仿真。Email：qianhangl0@mails．ucas．ac．cn。26航天器工程发展，传统开普勒轨道理论已经不能满足人类未来太阳帆的角动量为一ID。一∞。。航天活动的需要。利用太阳帆可以实现非开普勒轨道，比如在太阳或者地球极区的长期移位轨道，在空间科学探测上具有广阔的应用前景。移为了考察太阳帆在移位轨道长期的飞行状态，有必要开展太阳帆日心移位轨道的稳定性研究并进行控制律设计。对此国内外相关的研究文献较少，RobertJ．McKay系统总结了非开普勒轨道的类型和特性_2]，JohnBo

8、okless考虑的是行星移位轨道的控制问题口]，龚胜平等考虑了移位轨道附近的几种编队控制方法，并设计了一种简单的被动控制策略_4j。本文研究了太阳帆日心移位轨图1太阳帆日心移位轨道坐标系道设计，推导得到日心移位轨道稳定的条件，设计Fig．1Sun—