[科普中国]-气动力辅助变轨

简介

气动力辅助变轨是Howard London于1961年在美国航空协会的年会上提出的1，气动力辅助变轨是把纯冲量变轨与气动力变轨结合起来，在整个变轨飞行中插入大气飞行段。在该段飞行中借助气动力完成部分变轨(改变轨道平面或高度)，最终以最小耗能等技术指标完成全部变轨要求2。

AOT(Aeroassisted Orbit Transfer) 变轨方式由于有效的利用了航天器环绕星球上的大气这种自然资源，借助气动力减少了燃料消耗，从而使飞行器获得了较大的有效载荷比。由于这种变轨方式可以大大节省变轨所需的燃料，因此普遍认为 AOT 是未来空间运输的很重要的手段之一。

意义航天器进行轨道机动或转移往返于空间站与平台、卫星之间，它们的变轨可用冲量或连续推力方式，但是耗能比较大，而气动力辅助轨道转移可成为节省燃料的变轨方案。气动力辅助变轨方式由于有效的利用了航天器环绕星球上的大气这种自然资源，减少燃料消耗，从而使航天器获得了较大的有效载荷比。因此，研究气动力辅助变轨具有重要的意义。

应用气动力辅助变轨的应用主要有三个方面：

1、气动力辅助轨道变换

轨道平面变换是气动力辅助轨道研究的最初研究目的，也是最早提出的，典型的最优脱离轨道变轨如下：

首先，由特征点 a 加一反向冲量ΔV1，使航天器脱离 HEO(High Earth Orbit)进入转移轨道，转移轨道内切 HEO 于特点 a，在大气边界特点 b 进入大气层，利用升力控制卫星在大气层内的飞行，使之在 c 点冲出大气层，同时在 c点施加第二个速度冲量ΔV2(如果速度足够，c 点可以不加冲量)，使航天器运行至 d 点并于 LEO(Low Earth Orbit)内切，同时加速度冲量ΔV3，完成过渡全过程.

2、星际探测

星际飞行中的气动力辅助应用，又可以分为不同的两类：大气捕获和大气制动。二者都是利用气动力使飞行器获得必要的速度衰减，航天器从双曲线接近轨道进入绕行星的目标轨道，显然，只能应用于有大气环绕的行星，如：火星，当然也可以应用于行星际飞行器返回地球的飞行。

3、地球轨道转移

地球轨道转移的背景是现代和未来的航天中，需要把航天器或其他载荷从地球低轨道的运行系统如航天飞机，空间站等，运送到地球高轨道运行的飞行器。由于这些载荷可能包括宇航员等有生命的载荷，所以要求轨道转移航天器应具有可重复使用的能力，同时利用气动力辅助轨道转移更能提高轨道转移飞行器的有效载荷比，这种轨道既有轨道高度的变化，也有轨道倾角的变化，它是三类气动辅助应用的最高形式。