正切推力轨道拦截和轨道交会问题研究

发布时间：2017-10-29 10:14

  本文关键词：正切推力轨道拦截和轨道交会问题研究

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【摘要】：正切推力是指推力方向沿着轨迹的切线方向,即与航天器当前时刻的速度方向一致或者相反。由轨道机械能表达式可知,正切推力是改变瞬间轨道机械能(和轨道半长轴)最有效的方向策略。正切轨道具有简单的脉冲推力方向,更少的能量消耗,更安全的转移轨迹等优势。根据推力的大小,正切推力可分为脉冲正切推力和连续正切推力。经典的霍曼转移是共面圆轨道之间的双脉冲双正切轨道,被广泛应用于实际工程中。本论文主要针对椭圆轨道,研究了脉冲和连续正切推力下的轨道拦截和轨道交会问题,可作为轨道机动的次优解或最优解的初始猜测。具体的研究成果如下:基于线性相对运动方程,得到了J2摄动椭圆轨道的正切脉冲共面轨道交会解。目前大多数关于正切轨道的研究均针对二体绝对轨道模型,其在地球扁率摄动下会产生较大的终端位置误差。求解了正切于初始轨道、正切于目标轨道、双正切轨道问题三种情况。对于给定的初始脉冲点,利用线性相对运动的状态转移矩阵给出相对速度的解析表达式,于是前两个问题可转化为求解目标真近点角或转移时间的单变量函数的根的问题,其可通过割线法进行求解。通过考虑初始漂移段,得到了前两个问题相同根的双正切交会解,以及最小能量正切拦截或正切交会解。并把该方法推广到线性J2摄动模型中。求解了脉冲大小约束下非机动共面目标轨道的正切单脉冲最小时间拦截问题。研究了目标椭圆轨道和目标双曲线轨道两种情况。这个问题要求拦截器和目标器飞行时间相同,且拦截轨道正切于初始轨道。目标真近点角的范围可由脉冲大小约束得到。对于目标双曲线轨道,时间方程存在四个不连续点,其速度方向与渐近线平行。对于给定的脉冲点,任何圆锥曲线的转移时间可写成目标真近点角的单变量形式,于是,所有解在其可行区间内由割线法得到。对于不同的脉冲点,转移轨迹可为椭圆、抛物线、双曲线。考虑脉冲点自由,可通过优化算法得到最小时间拦截解。提出的算法既适用于给定的脉冲点,也适用于脉冲点自由下求解优化问题。考虑轨迹半径约束和推力加速度大小约束,研究了修正逆多项式形状方法用于连续正切小推力圆轨道转移和交会问题。经典逆多项式形状方法是一种解析方法,但该方法未考虑推力大小和转移轨迹半径约束,因此工程中可能并不适用。对于时间自由的圆轨道转移问题,证明了逆多项式方法的轨迹半径单调变化;对于给定的最大推力加速度,可得到最小圈数的解析解。对于时间固定的圆轨道交会问题,由轨迹半径约束得到最后一个参数的可行范围,并在该范围内求解时间方程得到交会可行解,进一步得到满足推力加速度大小约束的解。对轨道转移和交会问题,修正逆多项式方法的最大推力加速度比经典逆多项式方法的更小,并且两种方法的能量消耗接近。
【关键词】：正切推力 轨道拦截 轨道交会 逆多项式形状法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-30
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义14-15
• 1.1.1 课题来源14
• 1.1.2 课题研究的目的和意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-28
• 1.2.1 国内外拦截和交会计划15-20
• 1.2.2 Lambert问题20-22
• 1.2.3 脉冲轨道拦截22-24
• 1.2.4 脉冲轨道交会优化24-26
• 1.2.5 连续小推力轨道交会优化26-27
• 1.2.6 正切推力轨道机动27-28
• 1.3 本文主要研究内容28-30
• 第2章 轨道力学基础知识30-45
• 2.1 引言30
• 2.2 坐标系的定义30-32
• 2.2.1 地心惯性(ECI)坐标系30
• 2.2.2 轨道坐标系30-31
• 2.2.3 LVLH坐标系31-32
• 2.3 开普勒方程32-37
• 2.3.1 椭圆轨道33-35
• 2.3.2 双曲线轨道35-36
• 2.3.3 二体模型初值问题36-37
• 2.4 轨道运动方程37-42
• 2.4.1 绝对运动方程37
• 2.4.2 线性相对运动方程37-39
• 2.4.3 状态转移矩阵39-42
• 2.5 飞行路径角42-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第3章 考虑J_2摄动的相对运动正切拦截和正切交会轨道45-67
• 3.1 引言45
• 3.2 椭圆轨道相对运动方程及状态解45-47
• 3.3 正切轨道问题的提出47-50
• 3.3.1 正切于初始轨道48-49
• 3.3.2 正切于目标轨道49-50
• 3.4 问题求解50-53
• 3.4.1 给定初始位置的正切轨道问题50-52
• 3.4.2 考虑初始漂移段的最优正切问题52-53
• 3.5 考虑J_2摄动的正切轨道问题53-57
• 3.5.1 J_2摄动下的线性相对运动方程53-55
• 3.5.2 J_2摄动下的状态转移矩阵55-56
• 3.5.3 J_2摄动下的正切轨道问题56-57
• 3.6 仿真算例57-65
• 3.6.1 二体相对运动正切轨道58-61
• 3.6.2 J2摄动相对运动正切轨道61-65
• 3.7 本章小结65-67
• 第4章 正切脉冲最小时间轨道拦截67-96
• 4.1 引言67
• 4.2 问题描述与分析67-68
• 4.3 飞行时间方程68-74
• 4.3.1 用飞行路径角表示转移时间方程68-71
• 4.3.2 时间方程导数71-74
• 4.4 给定脉冲点下解的存在条件74-77
• 4.5 求解轨道拦截问题77-80
• 4.5.1 给定脉冲点77-79
• 4.5.2 考虑初始漂移段79-80
• 4.6 双曲线目标轨道正切脉冲拦截问题80-86
• 4.6.1 问题分析80-81
• 4.6.2 飞行时间方程81-83
• 4.6.3 特殊初始真近点角和解的存在区间83-86
• 4.6.4 求解最小时间拦截解86
• 4.7 仿真算例86-94
• 4.7.1 椭圆目标轨道拦截87-91
• 4.7.2 双曲线目标轨道拦截91-94
• 4.8 本章小结94-96
• 第5章 基于修正逆多项式形状法的连续正切小推力轨道机动96-121
• 5.1 引言96
• 5.2 问题描述与分析96-101
• 5.3 圆轨道之间转移问题101-104
• 5.3.1 半径单调性101-102
• 5.3.2 经典逆多项式方法的最大推力加速度102-103
• 5.3.3 修正逆多项式方法的最大推力加速度103-104
• 5.4 圆轨道之间交会问题104-108
• 5.4.1 经典逆多项式方法的轨迹半径约束104-106
• 5.4.2 修正逆多项式方法的轨迹半径约束106-108
• 5.4.3 给定时间下的最大推力加速度108
• 5.5 仿真算例108-119
• 5.5.1 共面圆轨道之间转移109-112
• 5.5.2 LEO到GEO轨道交会112-119
• 5.6 本章小结119-121
• 结论121-123
• 参考文献123-132
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果132-134
• 致谢134-135
• 个人简历135

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本文编号：1112542