我國航天器軌道控制系統及發展趨勢

艾奇 武靜

摘 要 航天器控制技術是決定航天器發展水平的關鍵技術之一，通過對航天器的有效控制，在不影響其他性能的前提下，改變其質心運動軌道，并進行軌道機動和修正。如果航天器受到外部因素的影響，出現了偏離軌道的現象，或者必須換軌飛行的時候，就必須對其加以控制，使航天器質心運動的速度向量保持在一個穩定范圍內，航天器軌道控制系統應運而生。

【關鍵詞】航天器控制技術 運動軌道 質心運動 軌道控制系統

1 航天器的軌道控制的原理和組成

1.1 航天器的軌道控制技術的基本原理

航天器控制系統主要有三種功能，分別是導航、控制和制導。其中導航功能指的是處理設備數據，并從中得出航天器的位置向量和速度向量，也稱作實時運動參數和實時軌道確定。而制導指的是從導航中得出的航天器實時運動參數，根據最終目標和約束條件確定機動程序，其后發出指令以供執行。控制指的是改變航天器的飛行速度和方向，通過施加控制力的方法幫助其穩定，以便于達成飛行任務。

航天器的軌道有兩種，通常情況下，航天器控制系統都是采用噴氣發動機和小推力電推進器。其軌道分為主動飛行段和被動飛行段。其中主動飛行段點火階段，發動機熄火后切換到被動飛行段。

1.2 軌道機動、軌道維持的內容以及常用的控制方法、應用領域

軌道控制發動機會產生一定的反作用推力，像返回型偵察衛星上的制動火箭、地球靜止衛星上的遠地點發動機和位置保持發動機等類型的發動機，它們的安裝方式基本都是固定的。因此，想要改變和穩定航天器軌道控制力的方向，首先要對航天器的姿態進行調整，在發動機點火的過程中，由于發動機推力會產生干擾力矩，姿態控制系統要克服這一點，確保姿態的正確性與規范性，此外，還可采用自旋穩定或三軸穩定的方式來達到目的。軌道機動指的是航天器在軌道之間的切換，在切換過程中需要對其加以控制，使其偏離現有軌道，屬于一種有意操作。有一點需要注意的是，兩個軌道不受平面限制，如果研究對象是返回型偵察衛星和載人飛船，為了順利的降落，必須要采用火箭制動，使其沿著運行軌道返回。航天飛機具有多種功能，包括捕捉、施放和回收衛星，在太空中還能夠與空間站進行對接操作，以及必備的返回地面能力，這說明航天飛機的軌道控制系統更為復雜。

2 應用方式

2.1 折疊變軌控制

實行折疊變軌控制的目的在于改變航天器的速度向量，是在一定的區間內，以便于航天器在自由飛信段進行順利的軌道切換，變軌前后的兩個軌道同樣不受平面空間的限制。這種控制方式在地球衛星變軌、軌道校正、轉移、定點等過程中得到了廣泛應用。

2.2 折疊軌道保持

該種方式的作用是保證衛星的軌道要素不變。人造地球衛星的軌道保持形式多樣，典型的有地球靜止衛星的位置保持、相對于其他衛星的位置保持、對地觀測衛星的軌道保持以及具有軌道擾動補償器的自主軌道保持等。通過位置保持，我們可以發現，此時衛星與地球的位置是不變的，而此時的軌道周期等于地球自轉周期，兩者之間的傾角和偏心率約等于零。除此之外，像通信衛星、廣播衛星和中繼衛星等地球衛星對于位置的精度要求較高，位置保持的目的在于排除電波干擾因素，有利于地面跟蹤。

2.3 折疊航天器軌道控制系統

在折疊航天器軌道控制系統中，通常需要用到持續性推進器，但就目前的情況來看，我國一般都是采用化學推進器，這種類型的推進器長時間處于脈沖工作狀態。在修正人造地球衛星的機動變軌和行星際航天器的中途軌道時，固體或液體火箭推進器是最佳選擇。變軌發動機需要進行固定安裝，為了改變航天器的速度增量，必須要調整姿態、保持推力，確保運行方式的穩定性。

3 發展趨勢

近些年，我國科學技術不斷更新進步，多種應用衛星的出現，對軌道控制的精度提出了更高的要求。經過科學家的努力，研發出了一種新型的推進技術：電推進，該技術具有高比沖的優勢，受到了多數發達國家的認可。要想看一顆衛星是否達標，就要從系統質量、使用壽命及其載荷方面來衡量。電推進系統的工程應用，不僅可以節約推進劑、提高壽命，對于未來的深空探測任務以及電推進技術的發展也具有重要的意義。

我國進行電推進的研究已經有三十多年的歷史，其中五院510所和八院801所近年來開展了工程樣機的研制，已經取得了一定進展，目前主要性能指標已經接近或達到國際先進水平，具備了進行工程應用的基本條件。

而電推進系統要投入工程應用，除了需要開展電推力器或電推進系統本身的研究以外，還需要對電推進的應用技術開展研究，主要是對應用電推進系統以后，對整星的布局、控制方案、能源、結構、熱控、可靠性等各方面帶來的影響以及應對方案，從而為我國下一步電推進系統的工程應用工作提供參考。

4 結束語

綜上所述，從世界范圍來分析，航天技術日益完善，與此同時航天任務也日趨復雜，不僅需要高精度的軌道控制，還需要航天器具備良好的機動性和自主性。由此可見，我國必須致力于提高軍用衛星的自主軌道控制能力，在降低地面依賴的同時，確保衛星的安全性與保密性，使其不受其他因素干擾。在未來的發展中，廣大科研工作者要以自主導航和控制為導向，持續完善航天器軌道控制技術，推動我國航天事業朝著更好的方向發展。

參考文獻

[1]張洪波.航天器軌道力學理論與方法[M].北京：國防工業出版社，2015.

[2]袁建平.航天器相對運動軌道動力學[M].北京：中國宇航出版社，2013.

作者單位

上海航天控制技術研究所 上海市 201109