低轨航天器磁推进及其能力估算

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1、2013年12月第6期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology低轨航天器磁推进及其能力估算肖歆昕李文皓张珩刘开磊(中国科学院力学研究所，北京100190)摘要针对地球空间磁场分布特点，提出可用于实现低轨航天器轨道维持、轨道变更的无质消耗推进技术。从基本的磁学理论出发，建立了带磁航天器在地球空间磁场中的飞行磁推力模型，阐述了通过航天器磁性获取无工质消耗连续推力的磁推进概念和原理，阐明了作用机理，提出了磁力矩解耦的磁力线追踪推力策略，给出了磁推进的能力包络和轨道高度保持与提升的典型估算结果。分析表明，当飞行体磁矩达到106Am2

2、量级以上时，可以有效用于6001000km范围内轨道高度保持或提升。此外，文章还简要分析了实现高磁矩的技术可行性。关键词磁推进无工质消耗推进轨道高度保持轨道高度提升空间推进航天器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．06．0091引言航天器在轨运行过程中会受到各种摄动力影响，航天器运行轨道相对于理想轨道会产生一定偏差，从而必须不断地为航天器提供必要的推进动力[1J，用以补偿这些扰动，进行轨道修正或轨道机动。传统意义上的成熟推进方式主要是单组元、双组元火箭动力或冷气推进，它们都是以消耗大量工质(燃料)为代价来产生推力，从而在很大程度上制

3、约了航天器的在轨寿命和效益。以电火箭、核动力和束能(激光、微波等)为代表的推进技术，由于其独具的高比冲、低消耗等特点，在航天器轨道保持等方面展现了广阔的应用前景。特别值得关注的是，近年来大量学者围绕电动绳系推进[2。33和静电推进[43等新概念进行研究，试图为无工质消耗型空间动力寻求新出路。两者的实现机理各有不同，一个需要通过载体电流获得安培力，一个需要通过有效的电荷分布获得洛仑兹力。它们的共同之处是都需要从电离层获得电流(电荷)，并与地球空间磁场相互作用获得推力。显然，它们只能工作在电离层和地球空间磁场共同作用的局限区域，并取决于电荷收集的技术制约。尽管如此，除

4、需要电离层的空间电荷供给之外，电动绳系推进和静电推进还有一个共同之处，就是地球空问磁场所起到的独特作用。从电与磁的相互作用和关系角度来看，这给予启示，即完全可以设想直接通过人为改变或控制航天器自身的静磁特性，并利用其与地球空间磁场的相互作用，也必然可以产生必要的推力。鉴于此，将利用地球空间(或其他)磁场并通过人为改变空间飞行体静磁特性所获推力的方式，称为航天器的静磁推进(简称为磁推进)。通过提出这一概念，开展了相关机理的深化研究[5‘6j。本文就是基于磁推进概念的产生和相关的研究积累而形成，试图通过相关磁推力模型的推演、控制策略的建立和必要的分析，估算磁推进的能力

5、包络及其技术可行性。国家自然科学基金(11002143)资助项目收稿日期：2013一07一03。收修改稿日期：2013一09—16中国空间科学技术2013年12月2磁推力模型2．1坐标定义坐标系定义如图1所示。其中，0。一X。y。Z。为轨道面地球空间磁场坐标系，原点O。位于航天器质心，X。轴指向正北，y。轴指向正东，Z。轴垂直指向地心；亦逼Oi—X。yiZ。为地心赤道惯性坐标系；O。一X。y。Zo为航天器轨道坐标系，原点与0。重合。i为轨道倾角，a为赤经，N为轨道升交点，n为升交点赤经，“为升交点角距。Z卫星轨道图1坐标系示意Fig．1Coordinatessch

6、ematic】，2．2地球磁场地球磁场分布于地球上空数万千米的高度范围内，主要由位于地核中的电流体系产生，但仅在高度1000km以下具有较稳定的分布。一般可运用磁偶极子模型(Dipole)进行近似分析，在精确的计算中则可采用国际地磁标准场模型(InternationalGeomagneticReferenceField，IGRF)[7]。Dipole模型是通过将地球磁场绕自转轴进行平均处理后，将地磁场视为位于地心、磁北极指向地理南极的孤立磁体，其磁矩值取为P。一8．0×1022Am2。对应的磁场分布可用磁感应强度B。在O。一X。y。Z。坐标系下的分量表达：FB—l

7、B肚。只一。4—u—ra。05。O肚oP。．‘2——n—r—一asin9式中P为地心纬度；r为地心距；po一4丌×10-7H／m为真空磁导率。IGRF模型由13阶球谐式和基于实测的高斯系数描述，其在C}m—X。YrmZm坐标系中的分量表达式：&。cr，臼，A，=n妻=lm奎=O(等)喇[g?c。scmA，+^翱nc嘲，]塑薯萨堕B，。cr，侈，A，=n妻=lm奎=O(等)棚[g等sin(嘲)--h⋯cos(砌，]型等篙盟Bzm(r，p，A，一一n妻=lm奎=0cn+，，(等)批[g?cos(砌，+^强nc枞，]片cc。s口，(2)式中0为地心余纬度(0—90。一9

8、)；A为地