apsis-book/content/concepts/orbit/maneuvers.zh.md

94 lines
4.1 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

---
title: 轨道机动
tags: maneuvers, impulse, finite-burn, hohmann, delta-v
summary: 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:
```text
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:
```text
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:
```text
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。
```text
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:
```text
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