常值连续推力下航天器的运动

2021-09-25 12:00:00

本文参考了钱学森的论文《Take-off from satellite orbit》和 Battin 的专著《An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics》。

钱学森早在 1953 年就已经研究了常值连续推力下航天器的运动,时隔近七十年,很难再发现这个问题有何新颖之处,不过它所导出的一些数学结果是相当有趣的,而且基于这个问题,也能窥探出解决航天动力学问题所采用的一些解析方法。

极坐标形式的二体相对运动微分方程

已知二体问题的基本微分方程是


在下图中,定义了与航天器固联的一对正交单位向量

有如下关系

两式左右两边都对时间求导


由于

观察上式,很容易得到极坐标形式的二体相对运动微分方程

常值连续推力

本文不考虑常值连续推力的工程实际性,只以理想的模型来刻画问题。在下图中,从原点到航天器的方向为径向,与径向垂直的方向为横向

下面将分别研究航天器在径向横向的常值加速度作用下的运动。分别用 表示径向、横向的加速度。

常值径向加速度

假设航天器初始位于半径为 的圆轨道上,在 时刻施加一个恒定的径向加速度 ,此时运动方程为

对第二个方程积分,并带入初始条件 ,得

代入第一个方程,得

观察到

结合以上两个式子,不难得到


航天器达到逃逸速度(抛物线速度)满足机械能为

把相关的表达式代入,解出逃逸时的径向距离为

进而把径向速度的平方改写为

我们不希望在逃逸之前径向速度 等于 ,否则将逃逸失败。为此,要求二次方程 无解,即判别式

这就是常值径向逃逸加速度所要满足的条件,其中 为圆轨道上的引力加速度。而且,很自然地联想到引入系数 ,使得 ,那么逃逸条件就是

如果 ,说明航天器无法达到逃逸速度。此时,通过求解二次方程,得到

另外,根据前面 的表达式,易知


相比七十年前,今天我们可以“作弊”——用数值方法把轨道积分出来。设置初始圆轨道的半径为 8000km,仿真时间 10 小时,系数 分别取下图的 8 个数值,对应的轨道见下图:

没有达到逃逸条件时,航天器的轨道的确存在一个最大高度。


在钱学森的论文中,逃逸时间 是被计算出来了的,原理并不难,只需对

两边积分。但是这个椭圆积分非常难算,感兴趣的读者可以参考 Battin 的专著。


假设 为航天器的发动机的比冲,航天器的初始质量为 ,那么

把逃逸时间 代入,可得

它的图像长下面的样子(这是论文里的原图。说实话,这个曲线我没有复现出来,但是我可以证明它的趋势是对的)

分析曲线的以下特征:

推力全部用来维持圆周运动,再没有多余的能量用来增加航天器的总能量,所以航天器直到消耗完所有燃料也始终无法逃逸,即 无穷大。

常值横向加速度

假设航天器初始位于半径为 的圆轨道上,在 时刻施加一个恒定的横向加速度 ,此时运动方程为

如果直接在第一个方程中导出 ,并代入第二个方程,将得到一个三阶的微分方程。钱学森的论文中,在假设只发生很小的变化的条件下,给出了这个三阶微分方程的级数解,这不在本文的讨论范围内。


对于很小的横向加速度 ,加速效果并不明显,径向加速度特别小,以至于 ,即向心力几乎与引力平衡。根据这一假设:

代入运动方程的第二个式子,得

两边积分,并带入初始条件,得径向距离与时间的关系:

进而

根据运动方程的第一个式子,并根据很小的假设条件,得

把相关的表达式代入逃逸条件 ,得

根据径向距离与时间的关系,得到逃逸时间为:


根据

整理一下

画出图像

但请不要忘记我们的假设条件:径向加速度很小。在 比较小时,这个曲线比较符合真实情况。但是,较大时,还是应该基于原始的三阶微分方程进行分析,正确的曲线如下图(这还是论文里的原图。这个曲线我也没有复现出来,但是我也可以证明它的趋势是对的)

分析曲线的两个特征:


用数值方法把轨道计算出来,仿真条件不变,系数 分别取下图的 8 个数值,对应的轨道见下图:

结尾

我个人觉得钱学森的这篇论文的思想很深刻(否则也不会被 Battin 选入教材),处理问题的很多技巧值得学习。

Author

青崖同学

Release

2021-09-25 12:00:00

License

Creative Commons