航天器軌道機動動力學

《航天器軌道機動動力學》內容簡介：進入21世紀以來，空間操作(空間營救，來襲目標規避，空間攻擊，交會對接，編隊飛行及在軌服務等)逐漸多樣化和複雜化，各類特殊的軌道機動已經無法滿足空間任務要求，袁建平、和興鎖編寫的這本《航天器軌道機動動力學》論述了軌道機動的概念、發展及應用，動力學基礎，非開普勒問題研究，泛開普勒問題研究，遠距離機動，近距離機動，編隊問題，伴飛問題和普適變量的應用等內容。

軌道機動（Orbital MaNeuvers）是指航天器主動地改變飛行軌道的過程。首先，軌道機動是航天器的主動行為,是有目的的、面向應用的飛行，排除了某些干擾因素引起的漂移性軌道變化；其次，軌道機動是要改變飛行軌道的；最後，軌道機動是一個“過程”，是航天器的一個飛行歷程，不同於脈衝變軌。

在軌道力學研究的初期，由於研究對象是自然星體，沒有控制力的介入，採用觀測的方法，開普勒定律給出了完美的表達。人造衞星出現的初期，空間機動主要是軌道提升、轉移和保持，控制力“有限介入”（脈衝作用（時間限制）和連續小推力作用（力幅限制）），開普勒定律分段可用或採用考慮攝動影響的開普勒模型。

1923年，HermaNN J. Oberth在關於星際火箭的討論中第一次提出了航天器在地球軌道上與燃料艙交會對接的設想。他提出的在軌裝配、粒子噴射推進、在空間站附近移動的小型飛行器等，如今正在逐漸變為現實。

另一位航天先驅HohmaNN所提出的霍曼轉移一直是處理脈衝作用的主要方法。1925年，他出版了《The AttaiNability of HeaveNly Bodies》一書，其中“自由空間飛行”一章引入速度增量“ΔV”這一重要概念，並設計了飛行器返回地球時需要的機動，為空間的機動分析理論奠定了基礎。他設計了第一條行星際軌道，提出了航天器進行空間機動直接返回地球的設想。HohmaNN認識到由於各種因素的影響，航天器會偏離它的設計軌道，因此他還研究了軌道修正機動。

1950年~1960年，D.F.LawdeN和ANgelo Miele等科學家提出最低軌道、最優軌道、軌道確定、軌道修正、軌道轉移、軌道改變及空間交會等概念。

1958年召開的國際宇航聯合會議將與軌道改變、軌道轉移等有關的文獻歸納為軌道機動類文獻，這是第一次正式提出“軌道機動（Orbital MaNeuver）”一詞。此後很多科學家都展開了軌道機動問題的研究。

空間時代初期變軌、軌道提升及軌道轉移等軌道機動是基於脈衝推力下的開普勒軌道飛行。隨着空間應用領域的擴展，軌道機動幅度和範圍越來越大、快速性要求越來越強、過程越來越複雜。當空間操作在20世紀逐漸成為航天活動的主流時，對軌道機動就有了新的要求，即大範圍、快速、自主、精確的軌道機動，這種機動屬於主動改變飛行軌道的任意機動範疇，既不限於短時間也不限於小幅度推力，而這種機動的起因完全是自己的任務或快速響應需求，例如空間營救，空間碎片規避，來襲規避，空間攻擊，反偵察、反干擾機動，另外還有交會對接，編隊飛行，在軌組裝，協同工作，執行對目標航天器的監視、檢查、維修及燃料加註等。

進入21世紀以來，美國相繼驗證了具有自主逼近、交會功能的實驗衞星系列XSS-10和XSS-11、“自主交會技術驗證(DART)”和“軌道快車（OE）”，已經實現自主逼近近地軌道空間目標、與目標自主交會、繞目標飛行、捕獲空間目標、與空間目標對接、為合作目標輸送燃料、更換電池及計算機等重要的空間操作。2005 年啓動的歐洲幾個國家合作的PRISMA項目試驗了自主編隊飛行、接近操作和最終逼近/分離機動、自主交會。2005年美國發射的“深度撞擊”彗星探測器也驗證了越來越強的軌道機動能力和精準的控制技術。

在這個空間操作的時代，各類特殊的軌道機動已經不能滿足空間任務要求，而對於任意的軌道機動，基於開普勒理論的脈衝變軌、霍曼轉移等已無法勝任。任意的軌道機動要求控制與動力學深度交融，必須採用非開普勒的理論與方法。

我們充分認識到空間操作對空間飛行動力學與控制提出的挑戰，近五年來與其團隊潛心研究了這一課題，儘管還不成熟，甚至還有很多問題沒有涉及，但作為階段性成果願意呈現給同行一起討論。本書涉及軌道機動的概念、發展及應用，動力學基礎，非開普勒問題研究，泛開普勒問題研究，遠距離機動，近距離機動，編隊問題，伴飛問題和普適變量的應用。支撐本書的除了我們近幾年發表的論文和技術報告（列於各章的參考文獻中），還有18篇重要的博士學位論文（參考目錄見附錄），在此一併對論文和報告的作者表示感謝。 ^[1] 

第1章 軌道機動的概念、發展及應用

1.1 軌道機動的概念和分類

1.2 非開普勒運動

1.3 軌道機動的歷史發展

1.4 軌道機動應用和案例

參考文獻

第2章 軌道機動的動力學基礎

2.1 概述

2.2 軌道機動的動力學模型

2.3 脈衝推力作用下的軌道機動

2.4 連續（有限）推力作用下的軌道機動

2.5 （微）小推力作用下的軌道機動

參考文獻

第3章 非開普勒軌道動力學及其應用

3.1 概述

3.2 非開普勒運動的線性理論

3.3 共振軌道理論

3.4 基於共振軌道的機動軌道設計

3.5 非開普勒運動的陀螺效應

參考文獻

第4章 泛開普勒軌道動力學及其應用

4.1 泛開普勒軌道的理論

4.2 泛開普勒軌道方程及其幾何性質

4.3 基於泛開普勒軌道的軌道設計方法及其應用

4.4 基於泛開普勒軌道的軌道轉移

4.5 小結

參考文獻

第5章 遠距離軌道機動動力學

5.1 概述

5.2 單脈衝推力作用下遠距離機動軌道動力學

5.3 雙脈衝推力作用下遠距離機動軌道動力學

5.4 多脈衝推力作用下遠距離機動軌道動力學

5.5 有限推力作用下遠距離機動軌道動力學

參考文獻

第6章 航天器編隊飛行的軌道動力學

6.1 概述

6.2 相對運動狀態轉移矩陣

6.3 相對運動的運動學描述方法

6.4 橢圓參考軌道相對運動特性分析

6.5 編隊飛行的J2項攝動研究

6.6 編隊飛行隊形設計

6.7 案例分析

附錄A 平均軌道要素與密切軌道要素之間的相互轉換

附錄B 基於平均軌道要素的相對運動狀態轉移矩陣

參考文獻

第7章 航天器伴飛軌道動力學

7.1 航天器伴飛運動的概念

7.2 航天器伴飛運動的模型

7.3 長期自然伴飛軌道的設計與保持

7.4 機動伴飛軌道設計與制導

7.5 航天器伴飛案例分析與仿真

參考文獻

第8章 近距離機動的軌道動力學

8.1 概述

8.2 近距離機動的動力學

8.3 近距離機動策略與實現

8.4 計算與仿真結果分析

參考文獻

第9章 普適變量在軌道機動動力學中的應用

9.1 普適變量求解及攝動方程的建立

9.2 普適變量軌道要素攝動方程

9.3 普適變量軌道要素的Gauss偽譜法最優控制求解

參考文獻

附錄 博士學位論文參考目錄