浅谈近圆轨道航天器轨道寿命影响因素(天宫二号)

发布日期:2018-6-28

事件回顾:
  太空网一直持续跟踪天宫二号的飞行状态。近期一系列变轨事件引起了业内人士的广泛关注。从航天器观测数据观察,天宫二号在6月13日到14日期间进行了一次轨道机动,轨道高度由383km附近降低至296km附近,之后在6月22日到6月23日之间进行了第二次轨道机动,将轨道高度从294km附近提升至391km附近。
数据解析:
  太空网技术人员根据天宫二号历史轨道数据进行分析。绘制2018年1月1日至发稿时的日平均轨道高度曲线。

北京时间6月4日下午1:30,Aqua卫星拍摄到中国海南岛以南05W热带低压的可见图像。

根据轨道高度曲线显示出天宫二号:
  从1月1日到6月13日期间运行在400km附近轨道, 164天轨道高度共下降4.3km,日均下降0.026km;
  从6月14日到6月22日期间运行在300km附近轨道,8天轨道高度共下降1.7km,日均下降0.213km。
  轨道高度从400km自主下降到300km附近轨道高度后,每天衰减速度增加8到10倍。
航天器轨道摄动及轨道高度衰减原因:
  按照理想轨道的规律,航天器的轨道应该是永恒不变的。但事实上,通过人类对航天器的观测结果表明,航天器的轨道各个要素和轨道高度都是在缓慢变化的。影响航天器轨道相对于理论轨道运动的偏差叫做轨道摄动,造成轨道摄动的原因包括以下几个:
1.地球不是均匀的球体,地球的引力场也不是均匀的;
2.太阳和月球对航天器也有产生引力场,航天器离地球越远,或者说轨道高度越高,日月引力的相对作用就越显著;
  以上两种摄动力都是保守型摄动力,不会改变航天器的总能量,因此不会改变航天器的半长轴,对航天器的轨道寿命没有直接影响。
3.太阳辐射压力,太阳辐射的光子流对航天器表面碰撞时产生的作用力。太阳辐射的压力取决于太阳辐射压强和太阳辐射角度。
  一般来说航天器在任意半圈轨道中受到的太阳辐射压力起到推进作用,而另外半圈轨道中受到太阳辐射压力起到阻止作用,如下图所示。在这两种方向光压作用下,使轨道的偏心率增大,轨道趋为椭圆,对航天器整体能量影响不大,对航天器轨道寿命影响较小。
4.大气阻力,航天器运行的外层空间仍然存在稀薄的空气,因而对运动的航天器产生空气动力作用。大气阻力是低轨道航天器轨道摄动的重要原因,也是低轨道航天器轨道高度衰减的重要原因,直接影响航天器轨道寿命。
大气阻力的影响因素又包括以下几项:
a.轨道高度,轨道高度越低,大气密度越大,大气阻力就越明显。下图给出了大气密度随高度变化的曲线,可以看出400km大气密度是10-11数量级,300km大气密度是10-10数量级。高度降低100km大气密度多出一个数量级。阻力也多出一个数量级。因此也符合之前天宫二号300km高度衰减速度是400km高度衰减速度8到10倍的物理事实。
b.太阳光压辐射影响大气密度的第二个因素是太阳光压辐射。虽然作用在航天器上的太阳光压力在航天器一圈飞行过程中被抵消,但是光压的增大会导致大气密度的增大,从而增加航天器飞行阻力,减少低轨航天器寿命。下图给出了光压指数F10等于70和300时大气密度的变化。
c. 面积质量比。面积质量比越大,轨道高度衰减的越快。这个很容易理解,相同质量的航天器,迎风面积越大,阻力也越大,轨道高度衰减就越快。
  最后说明一点,本文所讨论的轨道寿命指的是和航天器轨道本身的寿命,即航天器在无控制条件下自然陨落的过程。如果是航天器本身故障不能正常在轨工作或自主下降坠毁,则属于另外的讨论范畴。更极端的情况航天器在轨与其他航天器碰撞或者与空间碎片碰撞及其概率,也属于另一领域的讨论。太空网后继将继续推出相关科普文章予以讨论。

★ 扫描下方二维码,关注微信公众号“微航天”获取更多咨询



太空网|  微航天 | vs@viaspace.cn


京ICP备11028114号 京ICP证070195号 京公网安备11010802009429
Copyright © 2018-2019 北京宏宇航天技术有限公司