基于引力辅助和势能预置的金星火星探测器轨道设计

发布时间：2017-10-25 03:33

  本文关键词：基于引力辅助和势能预置的金星火星探测器轨道设计

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【摘要】：一箭双星技术日趋成熟,2009年,NASA将LRO和LCROSS同时发射,箭载卫星由近地卫星变为深空探测器。在深空探测轨道设计方面,通过金星引力辅助探测火星已经被证明比霍曼转移更耗能量。发射时预置弹射势能,借助引力辅助,在探测器到达金星时对两个深空探测器实施弹射分离,分离系统实现对金星探测器的减速的同时对火星探测器加速,既节约了能源,又节约了发射经费。使用Lambert方程对两点间的轨道转移时间进行求解,配合深空探测基本动力学解得两点速度变化量,解得其能量耗费。将整个地-金-火会合周期内能量耗费表示出来用以找寻可行的发射窗口,控制其逃逸速度保证完成地-金转移。在金星处,两个探测器进行分离以获得速度增量。金星探测器在第二次加速后速度下降,利用STK给出参数对其进行变速处理以被金星捕获,进入环绕金星的轨道执行探测任务。火星探测器在第二次加速后速度提升,在接近火星处再次进行变速以保证顺利登陆火星。通过MATLAB初步设计,再利用STK修正仿真得到的轨道显示:金星探测器成功被金星捕获,火星探测器成功坠入火星,用STK分析其轨道参数。为了进行比对,利用深空探测动力学基本理论,采用霍曼转移方法,对传统深空探测轨道参数进行求解计算,得到传统深空探测轨道变速参数和转移时间。用给出的两个星体同时探测的轨道参数与传统的分别探测金星、火星轨道进行对比。通过对比得到结论,由于使用了一箭双星的分离技术,节省了部分能量。仿真给出的利用一箭双星深空探测器轨道能耗比传统霍曼转移能耗更低,一次发射对金星以及火星同时进行探测,节约发射经费,给出了一箭多星技术由近地卫星逐渐往深空探测领域发展的一种方式,扩展了一箭双星技术的使用范围,值得进一步进行研究。
【关键词】：深空探测 引力辅助 Lambert 轨道设计
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V412.41
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-7
• 1 绪论7-13
• 1.1 研究背景和意义7-8
• 1.2 国内外研究现状8-12
• 1.2.1 历史上的火星金星探测器8
• 1.2.2 引力辅助的发现与历史8-10
• 1.2.3 采用引力辅助的探测器10
• 1.2.4 近期引力辅助理论研究10-11
• 1.2.5 一箭双星11-12
• 1.3 论文研究的主要内容12
• 1.4 小结12-13
• 2 轨道力学基础13-23
• 2.1 引言13
• 2.2 开普勒定律与万有引力定律13
• 2.3 限制性N体问题13-14
• 2.4 限制性二体问题的几种轨道形式14-15
• 2.4.1 机械能、角动量14
• 2.4.2 几种二体轨道曲线14-15
• 2.5 参考系与经典轨道六要素15-16
• 2.6 变轨问题16-18
• 2.6.1 轨道能量关系16
• 2.6.2 一般同平面转移16-17
• 2.6.3 霍曼转移17-18
• 2.6.4 轨道倾角调整18
• 2.7 转移时间18-19
• 2.8 引力辅助19-20
• 2.9 Lambert定理20-21
• 2.10 星历表21
• 2.11 发射窗口21-22
• 2.12 小结22-23
• 3 程序设计和STK简介23-29
• 3.1 坐标变换23-25
• 3.1.1 速度矢量、位置矢量转轨道六要素23-24
• 3.1.2 轨道六要素转速度矢量、位置矢量24-25
• 3.2 星历表25-26
• 3.3 Lambert方程求解26
• 3.4 发射窗口搜索26
• 3.5 STK简介26-28
• 3.5.1 航天功能27
• 3.5.2 儒略日27
• 3.5.3 轨道外推27
• 3.5.4 STK轨道机动27-28
• 3.6 小结28-29
• 4 设计过程29-59
• 4.1 地金轨道29-40
• 4.1.1 转移时间估计29-30
• 4.1.2 变轨速度估计30-31
• 4.1.3 发射窗口搜索31-37
• 4.1.4 地-金轨道修正37-40
• 4.2 引力辅助与二次修正40-43
• 4.3 势能预置43-47
• 4.4 金星到达段与火星到达段47-49
• 4.5 地-金-火轨道小结49-51
• 4.6 2005VEX轨道51-53
• 4.7 地球直接到达火星53-54
• 4.8 霍曼转移轨道能耗与时耗54-55
• 4.9 数据分析55-58
• 4.10 小结58-59
• 5 总结与展望59-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-64

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本文编号：1091901