航天概论-第三讲 航天器运行轨道.pdf

第三讲第三讲 航天器运行轨道航天器运行轨道 《《航天概论航天概论》》 王有政王有政 清华大学清华大学   宇航技术研究中心宇航技术研究中心 二〇一三年三月二〇一三年三月 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 2 对航天器存在较大影响的空间环境要素：对航天器存在较大影响的空间环境要素：  太阳及太阳辐射  地球中性大气  地球电离层  地球磁场  空间带电粒子辐射  空间等离子体充电  空间碎片与微流星等 回顾：主要空间环境要素回顾：主要空间环境要素 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 3 回顾：回顾：太阳辐射对航天器的影响太阳辐射对航天器的影响  对航天器温控系统的影响：对航天器温控系统的影响：主要外热源  对航天器姿控系统的影响：对航天器姿控系统的影响：  太阳太阳辐射辐射(光压光压)和地气辐射压是航天器姿态控制中所必须考虑的因素和地气辐射压是航天器姿态控制中所必须考虑的因素  太阳辐射引起大气密度的变化，使航天器所受阻力增加太阳辐射引起大气密度的变化，使航天器所受阻力增加  对航天器对航天器结构结构系统的影响系统的影响：：热机械应力  对航天器电源系统的影响对航天器电源系统的影响：：太阳可见光和近红外波段的光谱辐照度太阳可见光和近红外波段的光谱辐照度 决定航天器太阳电池阵功率的精确计算。

决定航天器太阳电池阵功率的精确计算  对航天器通信系统的影响：对航天器通信系统的影响：短波和中波无线电信号衰落，甚至完全短波和中波无线电信号衰落，甚至完全 中断；背景噪声的增强中断；背景噪声的增强  对航天遥感器、探测器的影响：对航天遥感器、探测器的影响：光学背景、材料性能、光学遥感系光学背景、材料性能、光学遥感系 统污染  对人体和生物体的影响：对人体和生物体的影响：人体器官和眼睛产生人体器官和眼睛产生损伤，诱发皮肤癌损伤，诱发皮肤癌 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 4  空间大气对航天器的影响主要是空间大气对航天器的影响主要是气动阻力、气动阻力、 升力、气动加热，及原子氧对航天器的腐蚀升力、气动加热，及原子氧对航天器的腐蚀 作用作用  空间大气对航天器轨道的阻力是低轨道航天空间大气对航天器轨道的阻力是低轨道航天 器主要的轨道摄动力，因此，空间大气的阻器主要的轨道摄动力，因此，空间大气的阻 力是航天器的力是航天器的轨道衰变、姿态调整、寿命损轨道衰变、姿态调整、寿命损 耗耗的主要原因的主要原因  原子氧会与薄的有机涂层、先进的复合材料原子氧会与薄的有机涂层、先进的复合材料 和金属表面发生反应。

和金属表面发生反应 回顾：空间大气对航天器的影响回顾：空间大气对航天器的影响 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 5 回顾：空间真空效应回顾：空间真空效应 航天器入轨后始终运行在高真空与超真空航天器入轨后始终运行在高真空与超真空 环境中，所产生的效应如下环境中，所产生的效应如下 压力差压力差效应效应 真空放电真空放电效应效应 辐射传热效应辐射传热效应 真空出气效应真空出气效应 材料蒸发、升华和分解效应材料蒸发、升华和分解效应 粘着和冷焊粘着和冷焊效应效应 空间大气密度对航天器的阻尼效应空间大气密度对航天器的阻尼效应 真空下材料出气污染效应真空下材料出气污染效应 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 6 高能带电粒子与航天器上的电子元器件及功能材料高能带电粒子与航天器上的电子元器件及功能材料 发生相互作用，发生相互作用，产生产生总剂量效应和单粒子效应，使总剂量效应和单粒子效应，使 电子元器件功能失效电子元器件功能失效 在载人航天中，在载人航天中，空间粒子辐射空间粒子辐射可能对航天员的身体可能对航天员的身体 造成损伤造成损伤，甚至，甚至可能可能威胁航天员的生命威胁航天员的生命 回顾：高能粒子辐照影响回顾：高能粒子辐照影响 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 7 回顾：回顾：空间碎片和微流星空间碎片和微流星 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 8 温度 ★★ ★★ ★★ 通信测控 ★★ 计算机软件错误 ★★ ★★ ★★ 充电 ★★ ★★ 化学损伤 ★★ 辐射损伤 ★★ ★★ ★★ 机械损伤 ★★ ★★ 姿态 ★★ 轨道 ★★ 地 球 引 力 场 高 层 大 气 原 子 氧 地 磁 场 银 河 宇 宙 线 太 阳 宇 宙 线 地 球 辐 射 带 电 离 层 磁 层 等 离 子 体 流 星 体 空 间 碎 片 太 阳 电 磁 辐 射 地 球 反 照 地 球 大 气 辐 射 (注：注：★★表示有严重影响；表示有严重影响；表示有一般影响表示有一般影响) 回顾：空间环境要素的影响回顾：空间环境要素的影响 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 9 轨道轨道 环境因素环境因素 低轨道低轨道 100~1400km 中轨道中轨道 1400~30000km 地球同步轨道地球同步轨道 36000km 行星际飞行星际飞 行轨道行轨道 太阳电磁辐射太阳电磁辐射 对表面材料性能有影响对表面材料性能有影响 地球地球中性大气中性大气 阻力对轨道影响严重，原阻力对轨道影响严重，原 子氧对表面腐蚀严重子氧对表面腐蚀严重 没有影响没有影响 等离子体等离子体 (及地球电离层及地球电离层) 影响通讯，电源泄漏影响通讯，电源泄漏 影响微弱影响微弱 航天器表面充航天器表面充 电问题严重电问题严重 影响微弱影响微弱 地球磁场地球磁场 磁力矩对航天器姿态影响磁力矩对航天器姿态影响 严重，磁场可作姿态测量严重，磁场可作姿态测量 参考系参考系 磁力矩对航天器姿磁力矩对航天器姿 态有影响态有影响 影响微弱影响微弱 没有影响没有影响 高能带电粒子高能带电粒子 辐射带南大西洋异常区和辐射带南大西洋异常区和 高纬度地区宇宙线诱发单高纬度地区宇宙线诱发单 粒子事件粒子事件 辐射带和宇宙线的辐射带和宇宙线的 总剂量效应和单粒总剂量效应和单粒 子效应严重子效应严重 宇宙线的总剂量效应和宇宙线的总剂量效应和 单粒子效应严重单粒子效应严重 碎片和微碎片和微流星流星 有低碰撞概率有低碰撞概率 地球大气辐射地球大气辐射 对航天器辐射有影响对航天器辐射有影响 影响微弱影响微弱 没有影响没有影响 回顾：空间环境对不同轨道的影响回顾：空间环境对不同轨道的影响 航天器运行轨道航天器运行轨道 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 11 航天器是在大气层外宇宙空间运行的飞行器，基航天器是在大气层外宇宙空间运行的飞行器，基 本上是以天体力学运动规律运行。

本上是以天体力学运动规律运行  这是航天器区别于其它飞行器或运动装置的特有的运动方式； 以牛顿力学为基础，研究航天器在受到力的作用以牛顿力学为基础，研究航天器在受到力的作用 下，航天器质心运动的轨迹；下，航天器质心运动的轨迹； 源于天体力学，近年来发展成为源于天体力学，近年来发展成为轨道动力学轨道动力学 用简化理论轨道简化理论轨道和轨道摄动轨道摄动两部分得出精确的轨道； 是航天器设计的基础（任务、覆盖、通信、测控、日照、 太阳角、姿态、电源、热控、交会对接等） 航天器的运行规律航天器的运行规律 1、航天飞行器与其它的飞行器有什么不同呢？、航天飞行器与其它的飞行器有什么不同呢？ 2、航天器有什么特殊的运行规律？、航天器有什么特殊的运行规律？ 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 12 航天器的轨道是指航天器的飞行轨迹包括发射轨航天器的轨道是指航天器的飞行轨迹包括发射轨 道、运行轨道和返回轨道以人造地球卫星为例：道、运行轨道和返回轨道以人造地球卫星为例： 发射轨道：发射轨道：运载器从地面起飞到航天飞行器入轨运载器从地面起飞到航天飞行器入轨 主动段：主动段：火箭发动机的工作段；火箭发动机的工作段； 自由飞行段：自由飞行段：从火箭发动机停机到航天飞行器入轨。

从火箭发动机停机到航天飞行器入轨 运行轨道：运行轨道：人造地球卫星进入所设计好的轨道执行任务人造地球卫星进入所设计好的轨道执行任务 返回轨道：返回轨道： 从人造地球卫星制动火箭点火，到再入舱降落到地球表面从人造地球卫星制动火箭点火，到再入舱降落到地球表面 的飞行轨迹的飞行轨迹 航天器的轨道航天器的轨道 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 13 卫星的发射轨道、运行轨道和返回轨道 航天器的轨道图示航天器的轨道图示 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 14 内内 容容 一．一．航天器运动的基本定律航天器运动的基本定律 二．二．航天器运动方程航天器运动方程 三．三．航天器的轨道描述航天器的轨道描述 四．四．航天器的轨道摄动航天器的轨道摄动 五．五．航天器的轨道类型及常用轨道航天器的轨道类型及常用轨道 六．六．航天器轨道机动航天器轨道机动 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 15  哥白尼哥白尼(1473－－1543)的的《《天体运行论天体运行论》》(论天体的运转论天体的运转)提出提出 了“日心说”，指出行星围绕太阳运动，恒星静止了“日心说”，指出行星围绕太阳运动，恒星静止。

 改变了统治改变了统治1300年的古希腊天文学家托勒密的“地心说”宇年的古希腊天文学家托勒密的“地心说”宇 宙体系自然科学从神学中解放自然科学从神学中解放  开普勒在丹麦天文学家第谷的观测基础上于开普勒在丹麦天文学家第谷的观测基础上于1609/1619年先年先 后发现了后发现了行星运动的三大定律行星运动的三大定律  1609年，出版《新天文学》, 提出第一及第二定律1619年, 出版《宇宙谐和论 》, 提出第三定律. 1.1 开普勒定律的提出开普勒定律的提出 “开普勒”探测器开普勒”探测器 “开普勒”超新星开普勒”超新星 围绕地球飞行的卫星和航天器服从与行星绕太阳飞行的运动规律围绕地球飞行的卫星和航天器服从与行星绕太阳飞行的运动规律! 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 16 太阳太阳、水星、金星、地球、火星、木星、、水星、金星、地球、火星、木星、 土星、天王星、海王星、土星、天王星、海王星、冥王星冥王星 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 17 1.2 开普勒三大定律开普勒三大定律  开普勒第一定理开普勒第一定理 (1602)(椭圆定律椭圆定律)：：行星行星(航天器航天器)绕太阳绕太阳(地球地球) 运行的轨道是椭圆，且太阳运行的轨道是椭圆，且太阳(地球地球)位于椭圆的一个焦点上。

位于椭圆的一个焦点上 OC rb a ae ra=a (1+e)rp=a (1-e) Re  apogee perigee  开普勒第二定理开普勒第二定理 (1605)(面积定律面积定律)：：行星行星(航天器航天器)与太阳与太阳(地地 球球)的的连线连线(向径向径)在相等的时间内扫过的面积相等在相等的时间内扫过的面积相等  开普勒第三定理开普勒第三定理 (1618)(调和定律调和定律)：：行星行星(航天器航天器) 轨道周期轨道周期 的平方正比的平方正比于于椭圆轨道半长轴的立方椭圆轨道半长轴的立方 清华大学 • 宇航技术研究中心，2013 18 1. 开普勒第一定律开普勒第一定律阐明了航天器运行轨道的基本形态阐明了航天器运行轨道的基本形态 及其与地心的关系及其与地心的关系 2. 开普勒第二定律开普勒第二定律的物理意义是航天器绕地球运动的的物理意义是航天器绕地球运动的 动量矩守恒，阐明了航天器在椭圆轨道上的运行速度动量矩守恒，阐明了航天器在椭圆轨道上的运行速度 是不断变化的，在近地点处速度为最大，而在远地点是不断变化的，在近地点。