航天器軌道設計師的科研日常

如同我們去一個遙遠的地方旅行，往往要事先做攻略、規(guī)劃行程。航天器在宇宙航行之前，也要對“旅程”做好詳細規(guī)劃，以便更快、更好、更省力地到達目的地。

航天器軌道設計師的工作就是運用軌道力學原理，結合航天任務需求，研究航天器和相關天體的運行規(guī)律，為航天器找到一條完美的飛行線路，幫它們做好規(guī)劃。

太空航行的規(guī)劃者

“天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？”我國古代詩人屈原在2300年前就對日月星辰的運行規(guī)律提出了疑問。近百年來，軌道力學經歷了從建立到應用、再到發(fā)展的階段，不斷地擴大了人類所能觸及的宇宙范圍。

在實際工作中，航天器軌道設計師不僅要掌握軌道力學理論和各系統(tǒng)基礎知識，還要充分發(fā)揮現代計算機的算力優(yōu)勢。

航天器運行過程會受到天體的萬有引力、天體質量分布不均導致的非球形引力、太陽光照射航天器產生的壓力、大氣層對航天器帶來的阻力，以及航天器自身的控制力等各種影響。因此，航天器軌道設計師需要具有較強的編程和數據分析能力，可以基于各種影響因素建立軌道力學模型，著眼于航天器自身及各個系統(tǒng)，分析航天器的飛行過程是否能滿足任務要求，選擇最優(yōu)的飛行軌道。

計算機前“畫圈圈”在哪里工作

航天器在太空中運行到不同位置時受力情況不同，表現出的特性也不相同，航天器軌道設計師可以利用軌道的特性實現航天器的不同功能，例如通信、導航、遙感等。航天器軌道設計師還需要針對不同航天器的任務特點進一步發(fā)掘，選擇最優(yōu)的工作軌道類型和參數。

如何到達工作地點

選定航天器的工作軌道后，下一步要解決的問題就是怎樣以最少的燃料消耗到達該軌道。這個問題涉及對轉移軌道進行特性分析，并將轉移軌道初始點與運載發(fā)射彈道、結束點與工作軌道拼接到一起。

優(yōu)化路線

確定轉移軌道和工作軌道后，就得到了整個飛行過程的輪廓。此刻，航天器軌道設計師需要進一步對軌控策略進行設計，最終對全飛行過程進行建模、分析，結合各系統(tǒng)需求迭代改進，采用多種方法反復計算和復核，優(yōu)化軌道參數和軌控策略。

搭建“鵲橋”

2024年3月20日發(fā)射的鵲橋二號中繼星在“繞、落、回”探月工程四期任務和后續(xù)探月任務中，起著承上啟下的作用。

為了匹配嫦娥六號探測器與鵲橋二號中繼星通信距離、通信時長、多發(fā)射窗口的需求，航天器軌道設計師根據大量的仿真分析，識別出月球大橢圓軌道的穩(wěn)定性和軌道變化特征，設計了環(huán)月大橢圓太陽同步凍結軌道；并針對大系統(tǒng)對發(fā)射窗口的要求，以最少的燃料，通過一次變軌，大幅改變多個軌道參數。

結合評估專家意見和相關科研單位的復核結果，航天器軌道設計師對軌控策略進行了優(yōu)化，采用了四脈沖聯合控制策略，不僅將各次軌控的時間調整到地面上我國測控站可見范圍內，而且消除了鵲橋二號中繼星不同發(fā)射窗口下的工作軌道的差別，降低了工程實施的難度。

太空翱翔 遠程遙控

除此之外，航天器軌道設計師還要進行誤差影響分析和故障情況下軌道應對策略的研究，并分析判斷是否需要進行軌控來消除這些誤差以及消除的代價，即根據航天器的需求，判斷在各種故障情況下，飛行方案和控制策略是否需要改變，是否需要設計新的飛行方案以完成任務目標，以便在航天器飛行階段能快速識別誤差影響，出現故障時能及時提出有效的應對方案，降低損失。

航天器發(fā)射進入太空飛行是最令航天器軌道設計師激動和欣慰的時刻，它們在天上沿著既定的路線堅定地向前飛，軌道設計師在地上盯著屏幕默默守護，這是軌道力學理論到工程的實踐，也是對軌道設計方案和結果的檢驗。在飛行實踐中，軌道力學理論不斷傳承和發(fā)展，軌道設計技術不斷豐富和更新。

（責任編輯 / 王佳璇" 美術編輯 / 胡美巖）