[科普中国]-脉冲变轨

变轨

变轨，改变原有轨迹的统称。一般指航天器在太空中利用喷射燃料或者其它喷射物，使航天器从一个固定或本身的轨道进入另一个轨道的过程叫变轨。变轨，还指列车从某个轨道，变向另一条轨道。是通过手动或电脑控制两条轨道之间的折岔来进行的。手动控制，在每个变轨点旁都会有一个控制平台，通过扳下扳手，调整折岔即可。电脑控制，在每个控制站中，基本都会有专门控制折岔转向的电子控制平台，只要输入指令，电波就会传到变轨点旁的控制平台内，使其变轨。

简介通常运载火箭将静止导航卫星送入到一个带倾角的大椭圆轨道，然后卫星利用自身所携带的发动机进行远地点变轨，将其从转移轨道注入到地球同步轨道。早期的静止卫星都是利用固体发动机来进行远地点变轨的。其特点是推力大，推力作用时间短，可认为是脉冲式变轨。现在，卫星基本上都采用液体发动机进行变轨。液体发动机可进行发动机可进行多次点火，前一次点火中产生的误差可在以后多次点火期间修正，而且其低推力特性使变轨期间卫星容易维持其三轴稳定性。这时，冲量假设不再成立。由于液体发动机提供的推力较低，可视其为有限推力。同时，液体发动机以其低推力使卫星在变轨期间容易维持三轴稳定等特点而受到设计师们的青睐。

有限推力作用于转移轨道一个弧段上，由于推力有限，为了减小变轨推进剂消耗和获得卫星定点时的最大质量，需要对变轨策略进行优化。1

空间交会中脉冲变轨燃料消耗脉冲变轨的概念在航天器空间交会的研究和设计中得到广泛应用，因此研究脉冲变轨时的燃料消耗规律有着重要的工程实际意义关于空间交会中的多脉冲(包括双脉冲)变轨，国内外发表的很多论文，都主要是基于航天器相对运动线性化方程进行研允国内的研究多集中于轨道平面内的多脉冲变轨最优控制。

向开恒基于航天器在轨相对运动的动力学规律，推导了空间交会中多脉冲变轨的一般算法，在此基础上可以进行各种形式的最优化，包括燃料消耗的优化轨道转移的燃料消耗直接依赖于目标状态与初始状态的差，但在更大程度上依赖于轨道转移的策略

一般情况下，确定变轨目标后，双脉冲变轨的燃料消耗明显地依赖变轨时间(两次脉冲之间的间隔时间)及其与轨道周期等的关系。通过对航天器相对运动方程的研究，发现在特定条件下，很小的轨道机动也会消耗很多的燃糕在对双脉冲变轨精确动力学模型的研究基础上，提出了相应的解释，燃料消耗曲线中的奇异点并不完全由线性化引起，确认了双脉冲变轨条件下的“不可达点”及其附近的“高耗能区域”。

向开恒以双脉冲变轨燃料消耗规律的研究为基础，进行了多脉冲变轨的变轨策略研允研究表明，多脉冲变轨并不比双脉冲变轨更省燃料，但是采用多脉冲变轨可以提高变轨精度和优化运动轨迹。2

小卫星星座的最优脉冲变轨研究在卫星应用中，局部定位与监视卫星系统在轨道上以星座的形式工作。美国的“白云”卫星系统是局部定位与监视卫星系统的典型代表在发展局部定位与监视卫星系统中，星座的发射是一项关键技术由于火箭的发射精度和变轨能力的限制，火箭很难直接发射卫星而形成星座星座的发射，首先用火箭分别将卫星发射到初轨，然后，卫星进行变轨而形成星座。王志刚针对三星异轨星座，利用脉冲变轨原理，进行星座的变轨研允拟采用一箭三星发射，然后进行变轨，使卫星按星座布局入轨为了使卫星携带的燃料最少，需要进行变轨脉冲的优化设计。

脉冲变轨原理认为速度的变化在一瞬间完成，脉冲前后的速度突变，而位置不变。利用这一原理可以进行卫星星座脉冲式变轨研究。

王志刚研究了小卫星星座建立时的最优轨道控制。仿真结果表明，采用遗传算法进行脉冲变轨优化设计是有效的，所得结论适用于小卫星星座的变轨的一般情况

另外，这里对脉冲变轨的工程实现作初步探讨。在实际中，脉冲前后的速度不可能突变，而是连续变化的，因为脉冲突变只有在发动机推力为无限大时才能实现，而发动机的推力不可能无限大然而，如果发动机的工作时间比较短，当发动机的工作时间远小于卫星变轨时间时，可用脉冲理论来研究变轨，即把变轨推力转化成脉冲形式，但这时要对发动机的点火时间进行修正。3