1、月球引力辅助地球轨道航天器变轨方法 分析与应用设想 彭力贤 湖南省长沙市雅礼中学 摘 要： 本文通过“亚洲三号”卫星利用月球引力成功进行轨道救援的案例分析, 对利 用月球引力进行地球航天器变轨的一般方法进行了研究, 明确了利用月球引力 进行地球轨道航天器变轨的目的定位。 然后基于研究结论提出了地球轨道航天器 月球引力变轨两个应用方向的设想, 一是在高纬度发射场发射低倾角工作轨道 卫星, 二是辅助未来在轨服务航天器进行大范围的轨道倾角机动。 关键词： 月球引力; 航天器变轨; 应用; 1 前言 传统的地球轨道航天器变轨方案设计中往往将月球引力作为摄动干扰力来处理。 而1998 年美国休斯公司成功
2、利用月球引力辅助变轨方法, 通过两次奔月飞行, 拯救了由于火箭故障搁浅于地球同步转移轨道的“亚洲三号”卫星。 这使人们认 识到在地球轨道航天器的轨道方案设计中月球引力并不只是一种摄动干扰力, 还可作为变轨的主动控制力发挥出意向不到的重要作用。 为此本文结合对“亚洲 三号”卫星救援轨道方案的分析对利用月球引力辅助地球航天器变轨的方法进 行了研究, 同时提出了对该方法可能应用的领域的初步设想。 2“亚洲三号”卫星救援轨道方案分析 “亚洲三号”卫星是休斯公司研制的大容量广播通信卫星, 设计寿命为 15年。 1997年 12月15日“亚洲三号”卫星在拜科努尔航天发射场由俄罗斯质子运载 火箭发射升空,
3、火箭发动机故障未能将卫星送入预定轨道。 “亚洲三号”卫星被 滞留在一条近地点约 205公里, 远地点约36000 公里, 倾角为51.6的大椭圆 轨道上。 “亚洲三号”卫星原本的目标轨道是赤道上空地球同步轨道, 与滞留轨 道在轨道倾角和轨道高度方面存在巨大差异, 若采用传统的同步轨道转移变轨 方案, “亚洲三号”卫星携带的推进剂无法满足任务要求。为了实施卫星救援休 斯公司的技术人员提出了依靠星上部分燃料并利用月球引力的轨道转移方案。 首先不断抬高轨道的远地点使其达到月球轨道高度, 然后在飞越月球的过程中利 用月球引力使轨道倾角减小, 最后利用星上发动机作进一步轨道调整进入地球 同步轨道。下面对
4、具体的救援轨道方案进行分析。 首先为了避免轨道近地点长期处于大气阻力较大区域造成的轨道高度衰减, “亚洲三号”卫星发射入轨后实施了一次轨道机动, 将近地点从205 公里抬升 至384 公里。 在决策采用月球引力辅助进行卫星轨道救援后, 整个救援轨道分为 三个阶段:远地点抬升阶段、月球转移与飞越阶段和地球同步轨道初始化阶段。 下面分别对这三个阶段进行介绍和分析。 2.1 远地点抬升阶段 该阶段的目的是逐步抬升轨道的远地点, 使远地点高度逐渐接近月球轨道高度, 为后续的借力飞行提供条件。 “亚洲三号”卫星远地点抬升变轨分为 13次进行, 远地点抬升阶段第一次变轨在 1998年4月 10日执行, 最
5、后一次变轨在 1998年 5月7 日执行。 图1 远地点抬升阶段变轨示意图 下载原图 2.2 月球转移与飞越阶段 该阶段的目的是使“亚洲三号”卫星进入月球引力影响范围, 借助月球引力来 调整卫星的轨道面和轨道高度, 使之接近卫星最终运行所在的地球同步轨道。 1998年 5月7日“亚洲三号”卫星在轨道近地点附近执行了一次速度增量为 23m/s的变轨, 开始了奔月之旅。 5月13日“亚洲三号”卫星到达月球附近, 距 离月球的最近距离约 6200公里, 然后飞越月球开始返回地球。在飞越月球的过 程中受到月球引力的作用, 卫星的轨道发生了巨大的改变, 轨道倾角由 51.6 变为18, 近地点高度由 3
6、84公里抬升直42000 公里。上述轨道改变如果采用 卫星发动机来变轨所需的推进剂量是很大的, 而利用月球引力来变轨则避免了 消耗推进剂, 这也是“亚洲三号”卫星轨道救援工作的精髓所在。 为了进一步减 小轨道倾角使轨道面更接近卫星最后工作所在的赤道上空的地球同步轨道, 在 第一次飞越月球24 天后“亚洲三号”卫星进行了第二次月球飞越。在月球引力 的作用下轨道倾角由 18减小到14, 后续经卫星主动变轨进一步减小到 8.5。 图2 两次月球飞越轨道示意图 下载原图 2.3 地球同步轨道阶段 该阶段的主要目的是降低“亚洲三号”卫星轨道的远地点, 使其达到地球同步 轨道的高度。 该阶段包含在近地点附
7、近实施的三次制动变轨, 第一次制动变轨使 轨道周期由22天缩短至2天, 第二次制动变轨使轨道周期由2天缩短至28小时, 第三次制动变轨使轨道周期由 28小时缩短至 24小时, “亚洲三号”卫星终于6 月16日进入地球同步轨道。 3 利用月球引力进行地球轨道航天器变轨方法分析 从“亚洲三号”卫星利用月球引力进行轨道救援的过程来看, 地球轨道航天器 要利用月球引力进行变轨主要有如下三个步骤: (1) 抬升远地点高度:也就是使轨道最高点能够达到月球附近, 为实现月球借力 飞行提供条件。 (2) 飞越月球:航天器在远地点附件进入月球引力的影响范围, 在月球引力作用 下实现轨道面和轨道高度的改变。 (3
8、) 降低远地点高度:由于地球轨道航天器最终还是需要在地球附近轨道运行, 因此需要将之前为实现月球借力飞行而抬高的远地点将降低至工作所需的轨道 高度。 相对于传统的采用航天器自身发动机的变轨方案, 上述步骤中 (1) 和 (3) 是 需要额外消耗推进剂作为代价的, 而步骤 (2) 则是借助月球引力避免了推进剂 的消耗。 因此利用月球引力的变轨方案与传统变轨方案是否具有优势主要取决于 步骤 (2) 节省的推进剂是否比步骤 (1) 、 (3) 带来的额外推进剂消耗多。如 果航天器最终工作的轨道越高, 则步骤 (1) 将其远地点抬升至月球轨道附近所 需抬升的高度越小, 步骤 (3) 将其远地点高度降回
9、其工作轨道所降低的高度也 越小, 这两个步骤所需的推进剂消耗也就越小。 这也就是说地球轨道航天器工作 轨道越高则利用月球引力进行变轨越有优势。 利用月球引力变轨对轨道的改变主要包括两个方面, 一是改变轨道面, 二是改 变轨道的高度。 轨道高度的改变主要是通过航天器在远地点附近飞越月球, 来改 变近地点处的轨道高度。 由于月球借力飞行需要航天器本身对远地点高度进行大 幅度的抬升和降低的操作, 对推进剂消耗较大。 因此如果仅仅是为了抬升近地点 的轨道高度而进行月球借力飞行是得不偿失的, 月球引力变轨的主要价值还是 体现在利用月球引力在不消耗推进剂的情况下进行大幅度的轨道面的改变。 地球 轨道航天器
10、的轨道面主要通过轨道倾角和升交点赤经两个轨道根数来表征。 由于 地球非球形摄动的作用, 地球轨道卫星的升交点赤经会发生漂移, 漂移的速度 与轨道高度相关。 因此升交点赤经的改变可通过对轨道高度进行较小调整改变漂 移速度, 在较长的一段时间内以较小的推进剂消耗代价来实现, 利用月球引力 来改变升交点赤经的需求不强。 而轨道倾角则受非球形摄动影响很小, 一般不会 发生漂移, 要进行较大范围的轨道倾角改变, 按照传统的变轨方案需要消耗大 量的推进剂, 因此利用月球引力来实现轨道倾角的大幅度改变具有一定的优势。综上所述, 利用月球引力进行地球轨道航天器变轨的主要目的应定位在实现轨 道倾角的大幅度改变,
11、 次要目的可定位在轨道高度的改变。 4 利用月球引力进行地球轨道航天器变轨应用设想 “亚洲三号”卫星利用月球引力变轨是在发射出现故障情况下被迫采取的救援 之举, 而对于如何主动利用月球引力来进行地球轨道航天器的变轨, 本文认为 存在如下两种具有前景的应用, 一是在高纬度发射场发射低倾角工作轨道卫星, 二是辅助未来在轨服务航天器进行大范围的轨道倾角机动。 4.1 高纬度发射场发射低倾角工作轨道卫星 航天器发射入轨时的轨道倾角一般不小于发射场所在的纬度值, 因此要在较高 纬度的发射场发射工作轨道倾角较小的卫星, 例如轨道倾角为0的地球静止 轨道卫星, 则航天器入轨后需要进行大范围的轨道倾角改变,
12、才能进入工作轨 道。 无论是利用火箭的上面级进行轨道倾角改变, 还是利用航天器本身发动机进 行轨道倾角改变, 所需的推进剂消耗量都是很大的。 因此可考虑利用月球引力来 进行轨道倾角的大幅改变, 以节省推进剂消耗。 特别是对于工作轨道倾角小而且 轨道高度高的航天器, 由于工作轨道高度本身离月球轨道高度较近, 实现月球 借力所需的远地点抬升和降低的代价较小, 更加适合采用月球引力来进行变轨。 4.2 在轨服务航天器大范围轨道倾角机动 在轨服务航天器是目前国际航天领域研发论证的重点, 依靠在轨服务航天器可 实现对在轨高价值航天器的维修维护、在轨升级等工作, 具有广阔的应用前景。 由于高价值的航天器分
13、布在各种各样不同的轨道上, 这些轨道的倾角可能存在 很大差异。 为了扩大在轨服务航天器的服务范围, 提高服务应用的效益, 就要求 在轨服务航天器具备轨道倾角的大范围机动能力。 而在轨服务航天器在不同轨道 倾角轨道间的转移可考虑利用月球引力变轨来辅助实现, 以降低对本身推进剂 携带量的要求。 图3 在轨服务航天器示意图 下载原图 5 结语 本文在“亚洲三号”卫星利用月球引力成功进行轨道救援的案例进行分析的基 础上, 对利用月球引力进行地球航天器变轨的一般方法进行了研究。 提出利用月 球引力进行地球轨道航天器变轨的主要目的应定位在实现轨道倾角的大幅度改 变, 次要目的可定位在轨道高度的改变。 然后
14、基于此分析结论提出了地球轨道航天器月球引力变轨两个应用方向的设想, 一是在高纬度发射场发射低倾角工作 轨道卫星, 二是辅助未来在轨服务航天器进行大范围的轨道倾角机动。 参考文献 1J.Salvatore, C.Ocamp.Mission design and orbit operations for the first lunar flyby rescue missionC.50th International Astronautical Congress.Amsterdam The Netherlands, 1999:48. 2贾世锦, 佘明生.利用月球引力场改变地球卫星轨道倾角原理J.中国空间 科学技术, 2001, 21 (5) :2532. 3陈士明, 周志成, 曲广吉, 王典军, 袁俊刚.国外地球静止轨道在轨服务卫 星系统技术发展概况J.国际太空, 2014 (4) :5563.
