軌道構型

一般來說，太空飛行器編隊飛行軌道構型是按照編隊飛行套用要求來設計的，但是實際中存在一定的困難，因為形成編隊飛行軌道構型和保持構型隊形是需要付出代價的(主要是在燃料方面)。對航空方面，飛機可以實現任何編隊飛行構型，原因是飛機可以飛回地面加油，不擔心燃料問題，而太空飛行器尚未能實現空間在軌加注燃料;另者機上有經驗豐富、訓練有素的駕駛員，而太空飛行器控制技術尚未達到高精度、全自主的水平。為此目前太空飛行器編隊飛行軌道構型及其套用正在被積極探討。主動開展有關編隊飛行軌道構型的研究，為編隊飛行套用提供更多選擇餘地，也是當前空間控制一項重要研究課題，任何編隊飛行軌道構型都應該考慮其實現的可能性。

基本介紹

• 中文名：軌道構型
• 外文名：Orbital configuration
• 學科：航空航天
• 類型：飛行術語
• 軌道構型分類：自然式、強迫式、混合式
• 難點：形成飛行軌道構型和保持構型隊形

簡介

由若干太空飛行器在空間軌道以編隊飛行方式，提供一個分布敏感器(有效載荷)系統，目前在空間科學、國防、商業等方面獲得了套用並得到迅速發展。特別是編隊飛行技術在空間觀測(或空間遙感)方面的套用，預計今後10一15年間將發生一場重大技術革命。

一般來說，太空飛行器編隊飛行軌道構型是按照編隊飛行套用要求來設計的，但是實際中存在一定的困難，因為形成編隊飛行軌道構型和保持構型隊形是需要付出代價的(主要是在燃料方面)。對航空方面，飛機可以實現任何編隊飛行構型，原因是飛機可以飛回地面加油，不擔心燃料問題，而太空飛行器尚未能實現空間在軌加注燃料;另者機上有經驗豐富、訓練有素的駕駛員，而太空飛行器控制技術尚未達到高精度、全自主的水平。為此目前太空飛行器編隊飛行軌道構型及其套用正在被積極探討。主動開展有關編隊飛行軌道構型的研究，為編隊飛行套用提供更多選擇餘地，也是當前空間控制一項重要研究課題，任何編隊飛行軌道構型都應該考慮其實現的可能性。

分類

編隊飛行動力學有多種模型，為了便於分析，這裡選用線性模型-C-W方程，其他模型用於校核。取目標太空飛行器為參考太空飛行器，建立相對運動坐標系，坐標系定義為x軸沿參考太空飛行器背向地心方向，Y軸在軌道面內垂直x軸指向飛行方向，:軸由右手法則確定。C-W方程表示如圖。

編隊飛行軌道構型分類：

1)自然式軌道構型:利用各種不同初始條件來組成各種軌道構型。

2)強迫式軌道構型:利用各軸推力器的推力，強迫組成各種軌道構型，此時太空飛行器除目標器外，大多是非克卜勒軌道。這種強迫軌道構型都是在需要的時間段實現，非永久連續性，因為需要很多燃料。

3)混合式軌道構型:既利用各種初始條件，又套用各軸推力器的作用。

八面體

北京控制工程研究所林來興提出一種全新軌道構型—八面體，’它是當前多種編隊構型的集合，能體現編隊飛行各種可能軌道構型的特徵，同時也是適合作為編隊飛行空間演示的軌道模式，而空間演示與技術驗證正是當前編隊飛行發展的關鍵時期。

八面體編隊飛行構型

由6顆小衛星在目標星周圍懸停，最典型的軌道構型是沿目標星軌道坐標系三軸前後、左右、上下均勻對稱分布6顆小衛星，具體構型如圖所示。

這種構型稱為八面體編隊飛行軌道構型，即1-2-3 ,1-2-5 , 1-3-4 , 1-4-5 , 6-2-3 , 6-2-5 , 6-3-4 , 6-4-5共有八面。若每顆小衛星與目標星距離相等，則這種構型也稱為球面體軌道構型，球面體半徑等於小衛星與目標星距離。

八面體構型是最能體現目前衛星編隊飛行各種可能軌道構型的特徵，它是多種編隊飛行構型集合，例如：

1) 1-2-3-4-5-6為衛星編隊飛行逼近、停靠、檢查運行模式;

2)圓圈6-3-1-5-6和6-4-1-2-6為圓型立體成像運行模式;

3) 6-7-8-9為接近和軟對接運行模式;

4) 1-4-6-2為軌道平面內編隊飛行模式;

5) 2-3-4-5為軌道平面外編隊飛行模式;

6) 3顆小衛星組成一個平面，共為8個立體成像。

這種八面體軌道構型目前最適合進行編隊飛行空間演示和技術驗證，空間演示正是當前編隊飛行技術發展關鍵時期。由圖所示的八面體軌道構型是由目標器上下懸停的2, 4小衛星和垂直於目標器軌道平面懸停3, 5小衛星，以及在目標器水平方向懸停(或稱伴星飛行)1, 6小衛星所組成。

若把八面體軌道構型用於空間試驗，則目標器為母星，懸停6顆小衛星可以從母星釋放出來，執行試驗任務後，可以回收到母星。經過處理和補充(燃料和電力)，然後再執行下一次試驗任務。

衛星在目標器軌道平面內懸停軌道構型

衛星在目標器軌道平面內懸停最典型構型就是在目標器正上方或正下方飛行。在正常情況下由於軌道高度不同，軌道角速度不相等，兩顆衛星不可能實現這種飛行。這裡提出兩個途徑來實現懸停構型。

第一種途徑:在衛星飛至目標星正上方或正下方時刻，同時施加徑向和航向推力，就可以實現懸停編隊飛行。

第二種途徑:從目標器釋放出一顆小衛星，並且具有初速。

衛星在目標器軌道平面外懸停軌道構型

衛星在目標器軌道平面外懸停構型最典型的是垂直於軌道平面的懸停，也就是在軌道坐標系x軸上任意一點懸停，此時編隊衛星和目標器是平行飛行，實現這種軌道構型有兩種途徑。

1)第一種途徑:從目標器沿z軸分離一顆小衛星，並且具有分離速度，然後當分離小衛星到達B點時，就開始實現懸停。

2)第二種途徑:發射一顆小衛星，或者從別處機動過來的小衛星，讓其與目標器軌道根數一樣(除軌道傾角外)。當小衛星飛到星下點緯度最高的地方時，此時小衛星正垂直軌道平面，其他相對於目標器速度皆為零。