低轨道航天器磁推进机理研究

拟以磁体在地球空间磁场作用下的磁动力学效应为基础，开展无工质消耗地实现低轨(LEO)航天器轨道保持或变轨的新概念空间推进-磁推进机理研究。深入分析在地球空间磁场内不同形态磁体的动力学效能；建立磁体飞行动力学模型和连续磁力作用下LEO航天器的非开普勒轨道动力学／运动学模型；研究磁推进作用下的轨道特性与控制特性；综合优化在各种摄动力影响下磁推进航天器的轨道保持或变轨的运行包络，开展航天器重访时间缩减及其地球覆盖率拓展的可行性研究。试图通过对磁推进设想的深入研究，明晰磁推进实现机理，为无工质消耗地实现LEO航天器的长期有效推进方法开展创新探索。目前，磁推进概念尚未见国内外文献提及报道。

本课题围绕低轨道航天器磁推进概念，从磁体-磁场作用机理入手，鉴于磁推进的功效来源于环境磁感应强度梯度这一特点，基于IGRF11模型重点讨论了地球低轨道地磁场磁感应强度梯度的分布特点，提出了便于理论推导和分析的简化地磁模型。建立了连续弱磁推力下的航天器轨道动力学/运动学模型，分析了面内/外调整的轨道运行特性，给出了相应近似方程以及近似条件。基于“磁力线追踪”策略，通过轨道遍历，给出了磁推进维持轨道高度的最小磁矩需求估算式，定磁矩下的轨道维持边界估算式，以及磁推进对轨道高度/倾角/升交点赤经等要素改变的估算式，明确了以10e5安培平方米量级大小的磁矩，在650km及以上高度，实现小型航天器的轨道高度维持具有物理可实现性，同时大倾角轨道更利于发挥磁推进效用。分析了永磁体、电磁体、顺磁材料增幅以及磁体构型参数对磁矩的影响，提出磁体优化构型的方向是提高磁体截面积和增大电流，并初步提出了三轴空间超导外环套的磁推力器构想。深度调研了超导技术、热控技术和磁向控制技术的发展现状，认为以现有的技术水平，生成10e6~10e7安培平方米量级的稳定可控和可集成（<100kg）的磁推力器是完全可实现的，在可预见的未来，低轨道的磁推进方法有望得到实质性发展。提出了磁力线追踪、无附加推力、最速高度机动、轨道周期无累积磁转矩以及优化弧段等若干种磁推进控制方法，通过环境-力学-控制的综合仿真，以及以太阳同步轨道的地方时保持为例子，验证了课题各项研究结果的正确性。通过本课题的研究，发表科技论文7篇（其中4篇EI收录），申请发明专利1项，完成软件登记2项，支持两名博士研究生顺利完成学位论文。课题较系统的研究了低轨道航天器磁推进的机理、环境、动力学、控制、可实现行和应用等系列问题，地磁感应强度梯度分布、磁推进运行轨道包络、磁推进控制方法等方面的成果均为首次提出。