循环飞行方案的轨道设计与优化

发布时间：2017-09-17 12:12

  本文关键词：循环飞行方案的轨道设计与优化

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【摘要】：循环轨道为周期性连续往返于两个星体或多个星体间,且在星体附近绕飞而不做停留的轨道,运行在这种轨道上的飞行器不需要轨道机动或只需进行少量轨道机动即可运载人员和物资往返于星体间,因此循环飞行方案被认为是未来人类大规模航天运载的一种长期持续经济的轨道方案。本文以循环飞行方案的轨道为研究对象,分为循环飞行器的轨道设计、循环轨道入轨设计、停泊轨道设计、双曲交会轨道设计四个专题进行了研究,具体研究工作如下:研究了地月系统循环轨道的工程特性。基于平面圆型限制性三体问题模型,根据轨道弧以及顺行和逆行特征采用圆锥曲线拼接法设计了五类地月系统周期轨道。以地月系统循环轨道的工程约束为出发点,从轨道周期、近地点高度、近月点高度、交会对接速度、轨道稳定性等方面分析了这五类周期轨道的特性,最后确定了由内圈S弧生成的顺行周期轨道是最适合载人循环飞行方案的轨道,并从这类轨道中求解了月球双曲线超速最小的轨道。研究了地火循环轨道修正问题。在简化模型下,逐次引入了地球引力和火星引力的影响,对轨道逐级修正;然后对远拱点机动策略与借力机动策略进行了比较分析;最后在星历模型下求解并优化了2031年-2045年出航型Aldrin循环轨道。研究了地月系统两脉冲入轨问题。首先通过数值方法求解了异面椭圆轨道间两脉冲最优解,作为三体模型下两脉冲最优转移的初值;然后定义了停泊轨道与循环轨道的相位;最后在圆型限制性三体模型下通过打靶法和非线性规划法对转移轨道进行了优化,得到在三体模型下的最优脉冲。研究了地火系统循环轨道入轨问题。将地火系统循环轨道分为了三个阶段:小推力逃逸段,共振引力辅助加速段,通过自旋产生重力场段;然后着重研究了共振引力辅助技术在不同地火系统循环轨道入轨中的应用。研究了两端停泊循环轨道方案中停泊轨道的选择问题。首先分析了摄动对停泊轨道根数的影响,然后建立了五种机动策略的模型,分别讨论了这五种机动策略下停泊轨道解的存在性,最后以一次典型的地火往返任务为例,对五种机动策略进行了对比分析。研究了循环轨道方案中星际转移飞行器与运载飞船的双曲交会问题。首先推导出了固定交会点圆轨道和双曲线轨道间两脉冲终端正切最优转移的解析解。然后通过计算所有可行的交会点,寻找到最优转移区间。最后加入转移时间和对接时间两个时间约束对双曲交会对接进行了优化设计,提出了正切交会正切分离和正切交会非正切分离的两种机动策略。
【关键词】：循环轨道 入轨 轨道转移 停泊轨道 双曲交会
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V412.41
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第1章 绪论16-39
• 1.1 研究背景与意义16-19
• 1.1.1 国外载人月球和火星探测计划16-18
• 1.1.2 我国载人月球和火星探测计划18-19
• 1.2 载人飞行方案概述19-25
• 1.2.1 载人登月飞行方案研究进展19-21
• 1.2.2 载人登火飞行方案研究进展21-22
• 1.2.3 循环飞行方案概述22-25
• 1.3 国内外研究现状与分析25-35
• 1.3.1 地月系统循环轨道建模分析25-32
• 1.3.2 地火系统循环轨道设计研究进展32-33
• 1.3.3 脉冲转移与交会轨道优化33-35
• 1.4 存在的问题和本文研究内容35-39
• 1.4.1 存在的问题35-37
• 1.4.2 本文研究内容37-39
• 第2章 轨道基础理论39-51
• 2.1 轨道设计的模型39
• 2.2 圆型限制性三体模型39-40
• 2.3 圆型限制性三体模型正则化40-41
• 2.4 惯性坐标系与会合坐标系的转换41-43
• 2.5 轨道修正方法43-51
• 2.5.1 状态转移矩阵44-45
• 2.5.2 微分修正45-46
• 2.5.3 单重打靶法46-47
• 2.5.4 多重打靶法47-49
• 2.5.5 延拓法49-51
• 第3章 地月系统循环轨道设计51-62
• 3.1 动力学模型51
• 3.2 轨道特征参数51-53
• 3.2.1 轨道尺度51-52
• 3.2.2 轨道类型52-53
• 3.2.3 轨道稳定性53
• 3.3 轨道计算方法53-58
• 3.3.1 初值条件53-54
• 3.3.2 时间条件54-55
• 3.3.3 计算步骤55-58
• 3.4 轨道特性分析58-60
• 3.5 最佳方案求解60-61
• 3.6 本章小结61-62
• 第4章 地火系统循环轨道修正62-73
• 4.1 初步设计的模型62-64
• 4.2 Aldrin循环轨道的初步设计64-65
• 4.3 Aldrin循环轨道的修正65-70
• 4.3.1 地球引力辅助轨道修正65-67
• 4.3.2 火星引力辅助轨道修正67-69
• 4.3.3 中途机动轨道修正69-70
• 4.4 Aldrin轨道的优化70-72
• 4.5 本章小结72-73
• 第5章 地月系统循环轨道入轨设计73-83
• 5.1 入轨轨道初值猜测73-77
• 5.1.1 最优两脉冲转移问题建模73-76
• 5.1.2 最优两脉冲转移问题的求解76
• 5.1.3 RCS到ECI坐标系的转换76-77
• 5.2 入轨轨道初值修正77-78
• 5.2.1 参考轨道77-78
• 5.2.2 修正方法78
• 5.3 入轨轨道优化78-80
• 5.3.1 轨道相位角78-79
• 5.3.2 问题描述79-80
• 5.3.3 问题求解80
• 5.4 算例分析80-82
• 5.5 本章小结82-83
• 第6章 地火循环轨道入轨设计83-89
• 6.1 共振引力辅助模型83-86
• 6.2 问题描述86-87
• 6.3 算例分析87-88
• 6.4 本章小结88-89
• 第7章 停泊轨道设计89-114
• 7.1 问题提出90
• 7.2 摄动模型90-93
• 7.3 轨道确定93-97
• 7.3.1 双曲线轨道确定93-96
• 7.3.2 停泊轨道确定96-97
• 7.4 机动策略建模97-99
• 7.4.1 机动策略A97-98
• 7.4.2 机动策略B98
• 7.4.3 机动策略C98
• 7.4.4 机动策略D98
• 7.4.5 机动策略E98-99
• 7.5 速度增量确定99-100
• 7.5.1 近拱点切向机动99-100
• 7.5.23D机动100
• 7.5.3 轨道倾角调整机动100
• 7.5.4 远拱点扭转机动100
• 7.6 机动策略解及其存在性100-106
• 7.7 机动策略的特性及对比分析106-112
• 7.7.1 机动策略A与C的关系106-108
• 7.7.2 机动策略B与C的关系108-110
• 7.7.3 机动策略C的特性分析110-111
• 7.7.4 机动策略C、D和E的对比分析111-112
• 7.8 本章小结112-114
• 第8章 双曲交会方案设计114-134
• 8.1 问题提出114-115
• 8.2 终端正切转移轨道的存在条件115-118
• 8.3 终端正切双脉冲转移最优解118-125
• 8.3.1 速度增量的表达式118-119
• 8.3.2 终端正切最优双脉冲转移的极值点119-121
• 8.3.3 终端正切最优双脉冲转移的解析解121-125
• 8.4 终端正切转移走廊125-127
• 8.5 双曲交会任务的时间约束127-129
• 8.5.1 转移时间约束127-128
• 8.5.2 对接任务时间约束128-129
• 8.6 双曲正切交会任务优化129-132
• 8.6.1 正切交会正切分离130-131
• 8.6.2 正切交会非正切分离131-132
• 8.7 本章小结132-134
• 结论与展望134-137
• 参考文献137-147
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单147-148
• 致谢148-149
• 作者简介149

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李桢;周建平;李海阳;;地球—火星循环轨道研究[J];导弹与航天运载技术;2010年01期

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本文编号：869324