行星际飞行器运动理论

[拼音]:xingxingji feixingqi yundong lilun [外文]:theory of the motion of interplanetary vehicle 在行星际空间飞行的人造天体称为行星际飞行器,包括飞

在行星际空间飞行的人造天体称为行星际飞行器,包括飞向和绕过行星的飞船、击中行星(硬着陆和软着陆)的火箭和行星的人造卫星等。行星际飞行器的运动基本上可以认为是在地球、太阳和其他行星的引力作用下的限制性多体问题。利用作用范围可以把它简化为几个受摄二体问题。行星际飞行器的运动大致可分为三个阶段:

(1)从地球表面发射到脱离地球作用范围。主要研究飞行器相对于地心的运动,它除了受地球的引力(包括地球形状摄动)作用以外,还受地球大气的阻力和月球、太阳引力的作用。它相对于地球的运动轨道接近于双曲线。这一阶段的飞行时间很短。

(2)从离开地球作用范围之后到进入目标行星的作用范围之前──过渡阶段。主要研究飞行器的日心运动,飞行器在太阳(有时还考虑某些行星)的引力作用下,相对于太阳的运动轨道基本上是一个椭圆。这一阶段飞行时间最长,是飞行器运动的主要阶段。

(3)进入目标行星的作用范围之后。这时飞行器在目标行星和太阳的引力作用下运动,它相对于目标行星的运动轨道接近于一条双曲线。如果要使飞行器成为行星的人造卫星或者在行星表面上软着陆,则需要利用制动火箭使飞行器减速。这个阶段持续时间也很短。

有些飞行器是同时飞往几个行星的,例如“先驱者”11号、“水手” 10号和“航行者”2号等。这些飞行器的运动除了上述三个阶段外,当进入“过路”行星的作用范围时必须考虑这些行星的引力作用,直到完全脱离它们的作用范围为止。对于需要回收的行星际飞行器,它的返回轨道也经历上述几个阶段,只是过程相反,即把目标行星当作出发行星,把地球当作目标行星。

行星际飞行器的运动主要是在轨道过渡阶段,这个阶段的轨道设计十分重要。最节省能量的过渡轨道是日心椭圆轨道,它在近日点和远日点上分别与相应的两个行星的运动轨道相切,故又称双切轨道。这种过渡轨道是霍曼在1925年首先提出的,也称霍曼轨道。沿着双切轨道运动的飞行器从地球到目标行星的飞行时间,是这个椭圆运动周期的一半。根据各个行星的平均轨道半径,求出从地球沿双切轨道向行星发射飞行器的速度Vp和飞行时间△t1,见下表。可以看出,采用双切轨道固然可以最节省燃料,但是飞行时间却很长,对于像天王星等较远行星,采用这样轨道显然是不现实的。另外,双切轨道对于发射时的精度要求较高。若过渡轨道取为抛物线轨道,相应的发射速度将大于双切轨道所要求的发射速度,相应的发射速度VL和飞行时间△t2,见下表。可以看到,对于较远的外行星,只要增加一些发射速度就能大大地缩短飞行时间。因此,采用抛物线轨道甚至双曲线轨道作为过渡轨道是比较合适的。事实上,目前发射行星际飞行器的轨道绝大多数是属于双曲线类型的。

图表1 图表2

为了便于修正轨道和节省燃料,在空间飞行中还设计一种驻留轨道,它们是围绕着地球和目标行星飞行的卫星轨道(见图)。飞行器先发射到驻留轨道上,测定它的位置,用小火箭修正轨道后再进入过渡轨道。在到达目标行星时也先在驻留轨道上运动,选择合适时机在行星表面的预定地区着陆。如果飞行器需要回收,可以把暂时不用的燃料储存在驻留轨道上,以便返回时使用,这样能够节省燃料达90%之多。为了能使飞行器和储存的燃料实现对接,在技术上要求是很高的。

图

行星的运动轨道不是圆形,而基本上是一个椭圆,它们的轨道也并不在同一平面上,因此,行星际飞行器的运动实际上将更为复杂些。目前都用天体力学数值方法计算它们的轨道。

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