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| title | tags | summary |
|---|---|---|
| 轨道机动 | maneuvers, impulse, finite-burn, hohmann, delta-v | 如何改变轨道、代价是多少推进剂,以及为什么两个圆轨道之间最省的是所有人都在用的那一条转移。 |
轨道机动
机动改变轨道。卫星位于一条闭合曲线上的某一点,最终必须到达另一条不同的闭合曲线上的另一点,而这一改变要用推进剂买单。这就是主题:改变有多大、代价多少,以及轨道不是圆形时代价如何变化。
定义
速度增量(delta-v)是速度改变的大小。机动被规划为一系列速度增量,推进剂代价由火箭方程按其总和导出。
脉冲在零时间内施加全部改变。当点火时间相对轨道周期很短时它是正确的模型;对低地球轨道而言这意味着短于一分钟的任何点火。
有限推力在足够长的时长上施加推力,此时卫星在推力期间仍在移动。这一区分并非学术问题:电推进辅助的低轨转移可以持续数小时,其重力损失占理想代价的相当部分。
数学含义
火箭方程
飞行器能产生的速度取决于推进剂的喷气速度和质量比:
delta_v = v_e * ln (m_0 / m_f)
其中 v_e 为喷气速度。由于对数函数增长缓慢,推进剂加倍远不能使速度加倍。这就是任务的速度增量是设计首要约束的原因,也是分级存在的原因。
霍曼转移
在两个共面圆轨道之间,最省的两脉冲转移就是霍曼转移。第一次点火把远地点或近地点抬升或降低到与目标一致,卫星滑行半个周期,第二次点火圆化。
设 r_1、r_2 为两个半径、a_t = (r_1 + r_2) / 2 为转移半长轴,两次点火由活力公式给出:
delta_v_1 = sqrt( mu (2/r_1 - 1/a_t) ) - sqrt( mu / r_1 )
delta_v_2 = sqrt( mu / r_2 ) - sqrt( mu (2/r_2 - 1/a_t) )
滑行时间取转移椭圆周期的一半:
t_coast = pi sqrt( a_t^3 / mu )
从 300 km 转移到地球静止轨道约需 4.1 km/s,它占运载器可提供能力的很大一部分,且其中大部分来自第一次点火。
变轨面
同时改变倾角的转移比共面转移更贵。在同一次点火中既抬升远地点又转动轨道面的联合机动,代价高于单独做其中任一项。给定半径改变与倾角改变时,最优解是一个两次点火的序列,其中变轨面在较小半径处完成,因为该处速度最低,同样的角度转动在速度增量上最便宜。
delta_v_plane ~ V * 2 sin( 倾角改变量 / 2 )
其中 V 是完成转动处半径上的圆轨道速度。
有限推力
在有限推力过程中,卫星仍在抵抗重力运动,且推力不沿瞬时速度方向。实际达到的速度增量小于理想的 a * t,差值即重力损失:
重力损失 = | 理想 delta_v | - | 实际 delta_v |
它随点火时长增长。化学推力点火足够短,可以忽略;电推进不行。
单位约定
- 速度增量与速度:千米每秒。
- 半径:千米。
- 引力参数
mu:立方千米每二次方秒。 - 倾角:弧度;在正弦中使用度会隐藏约 57 的因子。
适用边界
霍曼转移只在共面圆轨道之间、且只在两脉冲转移之中最优。真实任务很少如此:轨道是椭圆的、倾斜的,或两者兼有;当两个半径之比超过约 11.94 时,双椭圆转移可以优于霍曼,代价是飞行时间要长得多。
脉冲模型在点火占轨道周期很小比例时是充分的。对电推进的螺旋升轨并不充分,那时"点火"就是整个任务。
变轨面很少值得做。为到达不同星下点而抬高倾角,代价与倾角成正比,常常超出整个运载预算,因此轨面在发射时选定并维持,而不是更改。
标准
- 霍曼转移:由活力公式导出,见 Vallado,Fundamentals of Astrodynamics and Applications
- 火箭方程:齐奥尔科夫斯基,1903
另见
- keplerian-elements:被改变的轨道
- sgp4:传播机动结果
- perturbations:推进剂估算未包含的部分