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超低轨道卫星气动力辅助轨道保持应用研究

作　者: 陈明
导　师: 李顺利
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 超低轨道卫星过度领域直接模拟蒙特卡洛方法气动力辅助轨道维持
分类号: V448.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,超低轨道卫星越来越受到重视。由于轨道高度非常低,在进行高分辨率对地遥感观察时,可以显著降低有效载荷的重量和功耗,就算采用普通分辨率观察设备也能实现高分辨率观察。因此能有效的降低卫星成本,甚至实现批量化生产。所以,超低轨道卫星的研制将具有十分大的经济效益和广阔的应用前景。但是由于超低轨道卫星轨道高度较低,与传统的低轨卫星相比,其受到的气动力和气动力矩要高出几十个数量级,导致超低轨道卫星的设计寿命都比较短。因此,如何充分利用气动力是一个十分值得研究的课题。本文主要对高精度气动力的计算方法以及利用气动力进行辅助轨道保持等问题进行分析研究。首先,本文对过度领域的气体动力学进行了研究,利用DS3V软件对典型的超低轨道卫星进行了气动力计算,分析了在稀薄领域气动力与动压头和特征面积的关系。其次,将计算得到的气动力进行拟合线性化,设计了基于Hill方程的轨道保持控制器,将前面计算的气动力用于辅助轨道维持。最后对设计的轨道保持控制系统进行了仿真,分析了利用气动力进行轨道维持的可行性和适用范围。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题研究背景与意义  8-9
  1.2 国内外研究现状及分析  9-14
    1.2.1 超低轨道卫星发展现状  9-12
    1.2.2 稀薄气体动力学发展现状  12-14
    1.2.3 利用气动力进行轨道和姿态控制研究现状  14
  1.3 本文研究的主要内容  14-16
第2章基本理论和数学模型  16-26
  2.1 引言  16
  2.2 航天器轨道动力学模型  16-21
    2.2.1 经典轨道根数  16
    2.2.2 常用坐标系  16-17
    2.2.3 不同坐标系之间的转换  17-18
    2.2.4 改进春分点根数  18-20
    2.2.5 轨道根数与速度位置之间的转换  20-21
  2.3 运动学模型  21-23
  2.4 地球形状引起的摄动  23
  2.5 大气速度模型  23-24
  2.6 大气密度模型  24-25
  2.7 本章小结  25-26
第3章高精度气动力计算  26-41
  3.1 引言  26
  3.2 稀薄气体动力学及DSMC 方法简介  26-31
    3.2.1 分子平均自由程  26-27
    3.2.2 流动的领域划分  27
    3.2.3 速度分布函数和Boltzmann 方程  27-28
    3.2.4 DSMC 方法简介  28-29
    3.2.5 分子间的碰撞模型  29-30
    3.2.6 壁面条件  30-31
  3.3 卫星三维模型建模与划分网格  31-33
  3.4 计算结果与分析  33-40
    3.4.1 验证计算误差  33-36
    3.4.2 验证气动力与动压头的关系  36
    3.4.3 验证气动力与特征面积的关系  36-40
  3.5 本章小结  40-41
第4章气动力辅助轨道保持控制率设计  41-46
  4.1 引言  41
  4.2 基于气动力辅助轨道保持控制率设计  41-45
    4.2.1 系统组成方案  41-42
    4.2.2 控制律设计  42-43
    4.2.3 基本假设  43
    4.2.4 执行机构模型  43-45
  4.3 本章小结  45-46
第5章控制系统仿真验证  46-53
  5.1 引言  46
  5.2 仿真平台建模  46-47
  5.3 仿真结果与分析  47-52
    5.3.1 使用气动力辅助轨道保持  47-49
    5.3.2 不使用气动力辅助轨道保持  49-50
    5.3.3 不同目标轨道高度情况下控制系统仿真及结果  50-52
  5.4 本章小结  52-53
结论  53-54
参考文献  54-58
致谢  58

超低轨道卫星气动力辅助轨道保持应用研究

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