[发明专利]一种星上自主应急再入返回轨道设计方法

说明书

一种星上自主应急再入返回轨道设计方法，涉及再入航天器离轨制动控制技术；本发明采用全自主应急轨道设计方案，根据当前轨道与主备着落机场的地理位置，自主计算应急返回圈次、多机场的优选、快速到达应急离轨窗口的过渡轨道设计。

技术领域

本发明涉及一种再入航天器离轨制动控制技术领域，特别是应急再入返回轨道设计方法。

背景技术

近年来，由于空间远程快速运输系统和全球快速精确打击等的需求，各类能够往返于地球表面和空间轨道之间的空天飞行器成为各国的研究热点。其中具有代表性的是美国研制的X-37B轨道试验飞行器，它不仅可用于空间运输和空间试验，而且在侦查监视与预警、全球快速精确打击等军事应用方面具有重大潜力。

空天再入飞行器的返回过程可分为轨道运行段、过渡段和大气内再入飞行段。其中过渡段是轨道运行段和再入飞行段的衔接段，主要任务是通过离轨制动控制使飞行器运动轨迹进入大气层，基本原理是利用制动发动机产生推力减小其飞行速度，使其进入给定的再入点范围，制动控制的精度直接决定了进入再入点的精度，从而进一步影响再入段制导和着陆精度，因此离轨制动对飞行器是否能成功返回着陆有至关重要的作用。当再入飞行器有临时紧急任务时，需要进行应急制动返回控制，目前国内针对多着落机场的应急返回轨道设计研究较少，也尚未见公开发表相关报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供应急再入返回轨道设计方法，解决了天地往返飞行器应急返回的轨道设计和机场选择问题，为在规定时间内快速离轨制动控制提供条件。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种星上自主应急再入返回轨道设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据着陆主备各机场的经纬度，计算各机场的应急离轨窗口；

首先计算各目标机场对应的升交点地理经度，即为0横程对应的地理经度；其次根据再入飞行器应急情况下最大横向机动能力，计算各机场对应的最大和最小升交点地理经度范围，进而获得各机场的应急离轨窗口；

步骤二、计算再入飞行器当前轨道到各应急离轨窗口的时间，若其最小时间在给定离轨时间内，则该最小时间对应的机场为应急机场，飞行器按照当前轨道在所述的最小时间飞至对应的应急离轨窗口；否则，执行步骤三；

步骤三，进行应急返回过渡轨道设计，通过在过渡轨道飞行，使再入飞行器在指定时间内进入应急离轨窗口。

优选的，应急离轨窗口中心点计算如下：

上式中，λ₀为应急离轨窗口中心点，λ_e为再入点地理经度，为再入点地理纬度，u_e为从赤道到再入点的纬度幅角。

优选的，应急离轨窗口宽度计算如下：

上式中，Δλ为应急离轨窗口宽度，ΔH为再入飞行器最大横向机动距离，a当前轨道半长轴，i为当前轨道倾角。

优选的，通过下述方式计算再入飞行器当前轨道到各应急离轨窗口的时间：

根据飞行器最近一次过升交点时地理经度λ₀，推导N圈之后飞行器的升交点经度λ_N；再结合各机场应急离轨窗口对应的升交点地理经度范围，获得从当前位置进入各机场应急离轨窗口需要飞行的圈数N，进而根据当前轨道周期得到再入飞行器从当前轨道到各应急离轨窗口的时间。

优选的，N圈之后飞行器的升交点经度λ_N推导关系式如下：