《低軌道太空飛行器磁推進機理研究》是依託中國科學院力學研究所，由李文皓擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：低軌道太空飛行器磁推進機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李文皓
- 依託單位：中國科學院力學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
擬以磁體在地球空間磁場作用下的磁動力學效應為基礎，開展無工質消耗地實現低軌(LEO)太空飛行器軌道保持或變軌的新概念空間推進-磁推進機理研究。深入分析在地球空間磁場內不同形態磁體的動力學效能；建立磁體飛行動力學模型和連續磁力作用下LEO太空飛行器的非克卜勒軌道動力學／運動學模型；研究磁推進作用下的軌道特性與控制特性；綜合最佳化在各種攝動力影響下磁推進太空飛行器的軌道保持或變軌的運行包絡，開展太空飛行器重訪時間縮減及其地球覆蓋率拓展的可行性研究。試圖通過對磁推進構想的深入研究，明晰磁推進實現機理，為無工質消耗地實現LEO太空飛行器的長期有效推進方法開展創新探索。目前，磁推進概念尚未見國內外文獻提及報導。
結題摘要
本課題圍繞低軌道太空飛行器磁推進概念，從磁體-磁場作用機理入手，鑒於磁推進的功效來源於環境磁感應強度梯度這一特點，基於IGRF11模型重點討論了地球低軌道地磁場磁感應強度梯度的分布特點，提出了便於理論推導和分析的簡化地磁模型。建立了連續弱磁推力下的太空飛行器軌道動力學/運動學模型，分析了面內/外調整的軌道運行特性，給出了相應近似方程以及近似條件。基於“磁力線追蹤”策略，通過軌道遍歷，給出了磁推進維持軌道高度的最小磁矩需求估算式，定磁矩下的軌道維持邊界估算式，以及磁推進對軌道高度/傾角/升交點赤經等要素改變的估算式，明確了以10e5安培平方米量級大小的磁矩，在650km及以上高度，實現小型太空飛行器的軌道高度維持具有物理可實現性，同時大傾角軌道更利於發揮磁推進效用。分析了永磁體、電磁體、順磁材料增幅以及磁體構型參數對磁矩的影響，提出磁體最佳化構型的方向是提高磁體截面積和增大電流，並初步提出了三軸空間超導外環套的磁推力器構想。深度調研了超導技術、熱控技術和磁向控制技術的發展現狀，認為以現有的技術水平，生成10e6~10e7安培平方米量級的穩定可控和可集成（＜100kg）的磁推力器是完全可實現的，在可預見的未來，低軌道的磁推進方法有望得到實質性發展。提出了磁力線追蹤、無附加推力、最速高度機動、軌道周期無累積磁轉矩以及最佳化弧段等若干種磁推進控制方法，通過環境-力學-控制的綜合仿真，以及以太陽同步軌道的地方時保持為例子，驗證了課題各項研究結果的正確性。通過本課題的研究，發表科技論文7篇（其中4篇EI收錄），申請發明專利1項，完成軟體登記2項，支持兩名博士研究生順利完成學位論文。課題較系統的研究了低軌道太空飛行器磁推進的機理、環境、動力學、控制、可實現行和套用等系列問題，地磁感應強度梯度分布、磁推進運行軌道包絡、磁推進控制方法等方面的成果均為首次提出。
