[科普中国]-轨道捕获

简介

运载火箭把卫星送入轨道时，存在各种入轨误差，轨道捕获就是指消除入轨误差，使卫星进入标准轨道。

典型的捕获过程为：卫星入轨以后，用几天的时间精确测轨，求出发射轨道和预定轨道的半长轴和倾角的差，确定捕获要求和捕获程序，包括发动机点火程序，工作时间、点火次数及工作点。在几条相邻的轨道上修正，并让调整轨道和跟踪测轨穿插进行，直到证实完成捕获为止，这段时间一般要在一周以上。在轨道捕获的过程中，可安排些调整偏心率的作业，如在远地点用正周向的脉冲推力，则可在提高近地点的同时使偏心率变小。在近地点施加负周向脉冲推力，则降低远地点高度的同时，使偏心率变小。1

系绳辅助的行星际轨道捕获研究深空探测中探测器的行星际轨道捕获是保证探测任务成功的核心，其中包含了推进、姿态控制、轨道控制等关键技术。随着探测器飞行距离的增长，常规的使用喷气推进方式的探测器必将携带更多的燃料，从而使其他有效载荷的携带受到限制，导致很多空间探测任务无法实施。正是化学燃料的这种不可重复使用的缺点促进了无燃料推进技术的发展，如核推进技术、太阳翼技术、系绳辅助技术等。

系绳在空间运输领域中的应用最早于1982年由Colombo提出，自此引起了众多研究者的关注。PUIG-SUARI针对月球和行星际探测任务提出了一种系绳吊索概念，通过对系绳一端的航天器施加连续力矩，使其获得所需的发射速度。ROBERT P H为实现地月，地火或行星间的快速、高效运输，提出了两种系绳运输系统，分别为地月轨道系绳运输系统和地火快速系绳运输系统(MERITT)。ROBERT P H将动量交换系绳和电动力系绳技术相结合设计了一种可重复使用且不需要燃料消耗的、从地球低轨道到地球转移轨道的系绳推进装置。KUMAR K D提出了一种利用系绳进行航天器或有效载荷轨道转移的方法，并给出了系绳收放控制策略。

目前，有关系绳在空间运输、变轨领域中的研究大部分集中在地球轨道附近，而对于探测器系统到达目标行星飞越轨道后的研究较少。WILLIMAS P针对系绳在行星际轨道捕获方而的应用价值问题，通过理论推导和数值仿真，证实了与喷气推进方式相比，利用系绳辅助进行轨道捕获能够降低巨大的负载，有明显的优越性。但是，WILLIMAS P在设计系绳长度控制策略时忽略了系绳的质量变化，并且没有考虑到系绳切断时刻的指向，而不当的指向将会给子探测器的后续变轨或着陆带来困难，无谓地消耗燃料；另外，给出的控制策略中系绳的收放速率达到了100 m/s，这对目前的系绳收放机构来说很难实现。

针对上述问题，西北工业大学航天学院智能机器人研究中心刘彬彬等从轨道捕获条件角度对动量交换系绳辅助的行星际轨道捕获方式进行了研究。首先根据探测器系统的动力学模型给出了一致性捕获条件和系绳最佳切断点；然后从定性和定量两方而对机动过程的动力学特性进行了分析，得到了有必要施加主动控制的结论；最后针对机动过程的最优控制问题给出了数值解法，并对典型系统参数进行了仿真。

他们研究了动量交换系绳辅助的行星际捕获方式，获得了以下结论：

1)利用系绳在飞越近拱点后有反向加速旋转趋势的特性，将系绳的切断点选取在探测器系统质心刚刚跨过近拱点处，解决了系绳切断时指向不明确和系绳收放机构存在速率上限的问题。

2)通过控制系绳的收放能够更好地满足轨道捕获条件，但会提高对系绳抗拉强度的要求。

3)仿真结果验证了利用动量交换系绳进行行星际轨道捕获方式的可行性，以及所提出的系绳收放控制策略的有效性，可为未来系绳在深空探测中的应用提供借鉴。2

火星探测器轨道捕获典型策略根据是否利用大气辅助减速，火星探测任务可采用的典型轨道捕获策略可分为以下两大类：

1)直接制动捕获，即利用探测器轨控发动机制动实现轨道捕获，其间不利用火星大气辅助减速。设计地火转移轨道的双曲线顶点高度为目标轨道高度，当探测器飞行至双曲线顶点时执行脉冲变轨实现环火星轨道的捕获(如图)。

2)大气辅助捕获，即设计地火转移轨道的双曲线顶点位于火星大气内，探测器不经制动直接进入火星大气，利用大气阻力降低探测器速度，从而实现轨道捕获。大气辅助捕获又可细分为多次穿越和一次穿越两种方式。

多次穿越大气捕获的基本思路是:在确保能被火星捕获的前提下，探测器采用尽可能小的进入角直接进入火星大气，利用大气阻力降低探测器速度。多次穿越大气后，轨道远火点高度逐步降低，在最后一次穿越大气前对进入角进行优化，使探测器穿越大气后远火点高度为目标轨道高度，在远火点执行脉冲变轨，实现环火星轨道捕获(如图)。

一次穿越大气捕获的基本思路是，探测器采用合适的进入角直接进入火星大气，利用大气阻力降低探测器速度，穿越大气后远火点高度为目标轨道高度，在远火点执行脉冲变轨，实现轨道捕获。

根据仿真结果可以看出:1)直接制动实现环火星轨道捕获任务耗时很短，但速度增量需求较大;2)探测器多次穿越火星大气，利用大气阻力降低探测器速度，实现环火星轨道捕获速度增量需求及过载都较小，但完成捕获任务耗时较长;3)探测器一次穿越火星大气，利用大气阻力降低探测器速度，实现环火星轨道捕获速度增量需求较小且完成捕获时间较短，但过载较大。

实际工程应用中，应根据具体情况，综合考虑任务耗时、燃料消耗及过载等多方因素来确定火星探测器使命轨道的捕获策略。3