太空加油站网点设计方法与流程

本发明涉及一种地月系太空加油站网点设计方法，属于卫星动力学与轨道优化设计技术领域。

背景技术：

车辆燃油耗尽，只要到加油站加满油就能继续出发了，而在太空里运行的空间飞行器，当燃料耗尽，它们的寿命也就终结了。为解决这个问题，当前世界各国正在研究建“在轨加油”技术，提高飞行器续航能力，延长寿命。“在轨加油”本身并不新鲜，目前俄罗斯、美国、中国等国家都已掌握。“在轨加油”工程复杂、成本高，着眼未来深空探测及为航天器“延寿”需求，人类又开始研究建设更加便捷、经济的“太空燃料加注站”。如果把在轨加油比作一个油罐车为车辆加油的话，那么，“太空燃料加注站”就相当于地面的加油站，它的容量更大，可以重复多次为飞行器“加油”，从而延长飞行器寿命，提高其在轨服务能力。此外，当前运载火箭受规模和运载能力的限制，所携带的燃料有限，难以进行更深远的空间探测活动，而“太空加油站”则有望改变这一现状。如果太空里有‘加油站’，航天器就不用携带那么多的燃料，当燃料快耗尽时，只要及时到‘加油站’补加就行。这样，不仅技术难度降低了，成本也会减少很多。”

“太空加油站”的功能不仅局限于“太空中加油”，它还将改变现有的空间运输整体布局。它可服务于多个不同的空间任务，将一个长距离运输任务分解成若干段，利用现有的航天技术和设施，就能完成难度更大的任务。

目前，都是点对点的单一运输，运一次就结束，而有了“太空加油站”以后，不同的“太空加油站”形成一个网络。就像有了加油站，车辆不管从哪里来、到哪去、去多远，都可以放心行驶，将来太空里的各种航天器也可以这样。目前还没有人提出太空加油站网点设计的方法，如何科学设计出太空加油站的位置，使航空器加油成本降低。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种太空加油站网点设计方法，以能够为绝大多数航天器服务为宗旨，设计太空加油站网点，该方法简单实用。

本发明为一种太空加油站网点设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1)计算全球已经发射的航天器的轨道，寻找所述轨道中交会点最多的位置；

步骤2)如果地球影响球内存在交会点，则地球空间的加油站布设在所述交会点附近；

步骤3)如果地球影响球内不存在交会点，则在geo轨道布设加油站；

步骤4)在地球影响球外，如果存在交会点，则在交会点附近利用航天器编队飞行技术设计同心圆加油站网络；

步骤5)若地球影响球外不存在交会点，则在地月系l1点通过设计halo轨道，在halo轨道布设太空加油站网。

进一步的，计算交会点附近加油站布设的具体方法为：

以交会点为虚拟参考点，利用航天器编队飞行技术设计同心圆加油站网络；航天器编队飞行的动力学方程为：

其中δx，δy，δz为太空加油站相对于交会点的相对坐标，当相对运动状态满足

时，

设计围绕交会点的空间圆太空加油站网络。n为交会点的旋转角速度，δx0、δy0、δz0为初始时刻太空加油站相对于交会点的位置坐标。

进一步的，如果无法用统计方法找出航天器轨道交会点，则：

(1)在geo轨道布设加油站，并且在地月系l1点通过设计halo轨道，在halo轨道布设太空加油站网；

(2)若只在地球影响球内存在交会点，则在所述交会点附近布设太空加油站网以及在地月系l1点通过设计halo轨道，在halo轨道布设太空加油站网；

(3)若在地球影响球外存在交会点，则在geo轨道以及所述交会点附近布设加油站；

(4)若地球影响球内外都存在交会点，则在所述交会点附近布设加油站。

本发明所达到的有益效果：本发明所提出的地月系太空加油站网点设计方法，基于相对运动方程，利用统计的方法寻找太空加油站合适的集中点，利用航天器编队飞行技术设计太空加油站网络；在统计方法无效的情况下利用geo轨道和地月系l1平动点halo轨道特殊的地理位置设计太空加油站网络。为太空加油站网络的设计提供了设计方法。

附图说明

图1是已发射的航天器轨道交会示意图；

图2至图7为不同情况下太空加油站网点设计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的目的是利用统计方法和航天器编队飞行技术设计太空加油站网络，并提供了统计方法无效情况下的简易网络设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1)计算全球已经发射的航天器的轨道，寻找这些轨道中交会点最多的位置；如图1所示；

步骤2)，判断地球影响球内是否存在交会点。如图2所示，如果地球影响球内存在交会点，则地球空间的加油站主要布设在上述交会点附近，以交会点为虚拟参考点，利用航天器编队飞行技术设计同心圆加油站网络；航天器编队飞行的动力学方程为：

其中δx，δy，δz为太空加油站相对于交会点的相对坐标。当相对运动状态满足

便可设计围绕交会点的空间圆太空加油站网络。n为交会点的旋转角速度，δx0、δy0、δz0为初始时刻太空加油站相对于交会点的位置坐标。

步骤3)在步骤2的前提下，判断地球影响球外是否存在交会点，在地球影响球外，如果存在交会点，即，在地球影响球内有交会点，并且在地球影响球外也存在交会点，则在交会点附近利用航天器编队飞行技术设计同心圆加油站网络；地球影响球内外都存在交会点的情况下所设计的加油站布局如图3所示，

步骤4)若地球影响球外不存在交会点，即，在地球影响球内存在交会点，在地球影响球外不存在交会点的情况，则在所述交会点附近以及在地月系halo轨道上布置加油站网点；通过地月系平动点即平衡点l1点设计halo轨道，在halo轨道布设太空加油站网，地月系太空加油站的网点设计如图4所示，

步骤5)如图5所示，如果地球影响球内不存在交会点，则在geo轨道布设加油站。

步骤6)在步骤5的前提下，判断地球影响球外是否存在交会点，在地球影响球外，如果存在交会点，则在交会点附近利用航天器编队飞行技术设计同心圆加油站网络；所设计的加油站布局如图6所示，在geo轨道以及所述交会点附近布设加油站。

步骤7)若地球影响球外不存在交会点，则通过设计地月系l1点halo轨道，在halo轨道布设太空加油站网，如图7所示。

本专利通过设计太空加油站网络，实现航天器的在轨燃料加注，利用统计方法，结合已发射航天器的轨道，通过判断已发射航天器的轨道是否存在交会点来设计不同的太空加油站网点。该方法，简单实用，将统计方法与航天器编队飞行技术相结合，给出不同条件下的简易太空加油站网点布局，为未来太空加油站的布设提供参考。本专利中所提到的“附近”意为以该位置为球心的1000km范围以内。

本发明的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。