载人登月多段自由返回轨道及受摄交会问题研究

发布时间：2017-08-12 22:33

  本文关键词：载人登月多段自由返回轨道及受摄交会问题研究

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【摘要】：载人登月是人类文明演化至今最为尖端的科技工程,它展现的是一个国家强大的科技、政治、军事以及经济实力,彰显的是国家和民族对未知世界探索的强烈渴望。本世纪初叶,美国Constellation计划、欧洲Aurora计划以及中国探月工程计划的相继提出,彻底拉开了人类重返外太空的序幕,载人登月也被赋予了全新的涵义和使命。探测内容的多样化,轨道设计的复杂精细化,宇航员安全保障的突出化,进一步加大了载人登月工程任务设计的复杂度与难度。本文应时代背景,尝试解决工程任务设计中所遇到的轨道动力学问题,研究了精细模型下月球附近交会对接和全月面覆盖变轨策略,提出了全程可自由返回的载人多段自由返回轨道,并确定了地月转移新型轨道设计方案。在地月转移新型轨道设计研究中,本文针对地球高纬度再入提出基于拱线偏置的返回轨道设计方案,确定了影响再入点方位和再入航程的主要设计参数;改进了圆锥曲线拼接模型下影响球处轨迹状态求解算法,合理避开影响球处初值猜测,减少了数值修正,提高了计算效率。在多段自由返回轨道研究中,本文强调轨道设计的灵活度和故障返回的可行度。经典自由返回轨道设计难度大、发射窗口窄,无法有效保证光照和测控要求的满足;Hybrid轨道虽设计灵活、窗口较宽,但牺牲了安全属性;多段自由返回轨道兼收并蓄,轨道设计不仅灵活且满足无动力故障返回。本文在圆锥曲线拼接模型下完成多段轨道定义,在次高精度伪状态模型下,完成轨道解析建模与特性分析。数值计算表明伪状态模型误差仅为圆锥曲线拼接模型误差的10%。在月球附近交会对接控制策略研究中,本文强调规划算法的精确性与时效性。提出三步迭代法,完成控制策略由C-W模型、二体模型到高精度模型的演化,并比对遗传算法,证明了三步迭代法的最优性。引入J2摄动模型,完成局部最优控制策略的解析构建,显著减小了因C-W模型不精确带来的法向变轨误差,并有效避免了因多步迭代带来的时间损耗。数值计算表明,交会终端位置误差仅为C-W模型的误差的1%;脉冲近似解可有效转变为有限推力解。在全月面覆盖控制策略研究中,本文关注规划算法的合理性与故障返回的可行性。提出基于多段自由返回轨道的多脉冲控制策略。数值仿真表明,全月面覆盖所需总脉冲消耗小于2.6km/s,多段中途转移脉冲消耗小于0.4km/s。
【关键词】：载人登月 高纬度再入 多段自由返回 交会对接 全月面覆盖
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V412.41
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-13
• 第1章 绪论13-24
• 1.1 研究背景与意义13-15
• 1.2 研究现状综述15-21
• 1.2.1 载人登月轨道研究15-17
• 1.2.2 地-月间转移轨道研究17-18
• 1.2.3 地球和月球附近交会对接18-20
• 1.2.4 全月面覆盖20-21
• 1.3 本文的工作和创新点21-24
• 1.3.1 本文的工作21-22
• 1.3.2 主要创新点22-24
• 第2章 月球探测器转移轨道和发射窗口特性24-45
• 2.1 引言24-25
• 2.2 地月引力空间转移轨道解析模型25-33
• 2.2.1 地月引力场模型25
• 2.2.2 地-月转移轨道设计25-29
• 2.2.3 月-地转移轨道设计29-33
• 2.3 地-月间发射窗口33-40
• 2.3.1 地球出发窗口34-36
• 2.3.2 月面上升窗口36-38
• 2.3.3 月球返回窗口38-40
• 2.4 高精度模型修正40-43
• 2.5 本章小结43-45
• 第3章 载人登月多段自由返回轨道45-83
• 3.1 引言45-46
• 3.2 多段自由返回轨道46-64
• 3.2.1 轨道定义46-47
• 3.2.2 多段自由返回轨道构建47-59
• 3.2.3 中途转移脉冲59-64
• 3.3 多段自由返回轨道特性分析64-77
• 3.3.1 轨道特性64-69
• 3.3.2 发射窗口69-77
• 3.4 高精度模型修正77-81
• 3.5 本章小结81-83
• 第4章 基于伪状态理论高精度多段自由返回轨道83-105
• 4.1 引言83-84
• 4.2 伪状态理论84-85
• 4.3 伪状态模型下多段自由返回轨道设计85-94
• 4.3.1 奔月段自由返回轨道85-88
• 4.3.2 Quasi-Lambert问题88-91
• 4.3.3 绕月段自由返回轨道91-92
• 4.3.4 初值修正92-94
• 4.4 绕月段与月球返回段轨道特性94-98
• 4.5 高精度模型下数值评估98-103
• 4.6 本章小结103-105
• 第5章 月球着陆器自主交会对接变轨策略规划105-125
• 5.1 引言105
• 5.2 交会对接线性化模型105-115
• 5.2.1 相对运动状态转移矩阵107-109
• 5.2.2 初始与末端条件109-112
• 5.2.3 交会对接方程组112-115
• 5.3 多模型迭代115-117
• 5.4 数值仿真117-123
• 5.5 本章小结123-125
• 第6章 考虑J_2摄动月球附近交会对接局部最优控制125-142
• 6.1 引言125-126
• 6.2 受摄相对运动状态转移矩阵126-127
• 6.3 交会对接变轨策略优化127-133
• 6.3.1 目标函数与约束127-128
• 6.3.2 解析梯度推导128-131
• 6.3.3 目标函数与过程以及终端约束梯度131-133
• 6.4 数值仿真算例133-141
• 6.4.1 简化的Gim-Alfiend状态转移矩阵精度133-135
• 6.4.2 交会对接过程优化算例135-138
• 6.4.3 有限推力模型下变轨策略138-139
• 6.4.4 交会对接轨迹分析139-141
• 6.5 本章小结141-142
• 第7章 全月面覆盖变轨策略142-155
• 7.1 引言142
• 7.2 多段自由返回轨道142-146
• 7.2.1 限制性三体模型142-144
• 7.2.2 轨道一般特性144-146
• 7.3 全月面覆盖变轨策略规划146-151
• 7.3.1 二体模型下变轨策略规划146-150
• 7.3.2 高精度模型下修正150-151
• 7.4 数值仿真算例151-154
• 7.5 本章小结154-155
• 第8章 结论155-158
• 8.1 研究总结155-156
• 8.2 展望156-158
• 参考文献158-168
• 致谢168-170
• 附录A Trust-Region Dogleg算法170-171
• 附录B 简化的Gim-Alffiend状态转移矩阵171-177
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果177-178

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本文编号：664023