复杂力场天体探测器捕获轨道设计与大气进入制导研究

发布时间：2017-09-17 14:04

  本文关键词：复杂力场天体探测器捕获轨道设计与大气进入制导研究

  更多相关文章： 复杂力场 轨道设计 弹道捕获 大气制动 大气捕获 跳跃式再入 制导

【摘要】：随着深空探测技术的不断发展,越来越多的探测任务面临复杂的力场环境。充分利用环境作用实现目标天体探测器的低燃耗绕飞轨道捕获和表面着陆已经成为航天动力学的研究热点。本文针对目标天体附近多天体引力和大气所构成的复杂力场环境,研究了探测器弹道捕获、大气制动和大气捕获所涉及的轨道设计问题以及大气进入所涉及的制导问题,主要研究成果如下:一、提出了一套适用于不同动力学模型、不同应用背景的弹道捕获轨道构建方法。对目标天体附近的初始条件进行离散化,利用数值方法前向和后向积分离散化的初始条件;根据建立的轨道稳定性判据,将积分后得到的轨道分为弱稳定、不稳定、撞击和摆动四类,对应的初始条件划分为弱稳定集、不稳定集、撞击集和摆动集四部分;利用前向弱稳定集和后向不稳定集的相交操作构造弹道捕获轨道;提出了一个与时间相关的稳定性指标对捕获集内轨道的稳定性进行定量评价;将构建算法和稳定性指标应用于水星、木卫二和地球捕获任务,仿真结果验证了构建算法的可行性和稳定性指标的有效性。二、系统分析了动力学模型(含CRTBP、ERTBP和星历模型)、目标天体的真近点角、初始密切椭圆的空间指向以及目标天体是否存在自然卫星对弹道捕获的影响,为弹道捕获初始参数的设置和动力学模型的选取提供了理论依据。研究发现:1)目标天体的轨道偏心率对弹道捕获影响较大,不可忽略;行星轨道偏心率大有利于弹道捕获现象的发生;2)真近点角位于第II和III象限(第I和IV象限)时更利于初始顺行轨道(逆行轨道)弹道捕获现象的发生;真近点角处于π/4-π/2区间时有利于产生规则、稳定的捕获轨道;3)空间指向对捕获动力学影响较大;倾角位于40-70°和150-160°两个区间有利于弹道捕获的发生以及捕获到规则、稳定轨道上;最大捕获概率与理想轨道对应的空间指向条件基本一致;4)自然卫星有利于将高能目标捕获到稳定轨道,且使永久捕获成为可能。三、提出了一种利用大气制动模式辅助弹道捕获的低燃耗入轨方式。设计了一套将大气制动与弹道捕获相结合的方法;提出了脉冲修正和姿态偏航角两种轨道倾角调整策略,并解析推导了最优偏航角的选取方法;将所提方法应用于火星捕获任务、小行星采样返回任务和地球—金星探测任务。仿真结果表明:大气制动与弹道捕获相结合的入轨方式能够大幅降低将探测器捕获到目标天体绕飞轨道的燃耗。四、提出了一种利用大气捕获模式辅助弹道捕获的低燃耗入轨方式。设计了一套将大气捕获与弹道捕获相结合的方法;提出了一种半解析的近拱点动压快速计算方法。仿真结果表明:该入轨方式不仅能够大幅降低单次大气穿越的热压峰值,减轻热防护系统质量,而且能够规避传统大气捕获的“单点任务失败”风险。五、提出了一种精度高、过载合理和易于工程实现的跳跃式再入制导方法。根据跳跃式再入的参数变化特性,设计了分段线性的倾侧角幅值剖面;通过分析开普勒段的动力学特性,构造了横向“拼接漏斗”;基于实时测量数据和参数拟合,得到了一种改进的大气密度和气动系数误差补偿方法。三自由度Monte Carlo仿真表明该跳跃式再入制导方法能够满足精度要求,具有工程应用价值。总之,本文拓展了弹道捕获的应用,将其与大气制动/大气捕获/大气进入相结合,实现了以较低燃耗将探测器捕获到大椭圆弱稳定轨道、任务圆轨道或天体表面的目的,可为我国未来开展的深空探测任务提供理论支持。
【关键词】：复杂力场 轨道设计 弹道捕获 大气制动 大气捕获 跳跃式再入 制导
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2;V412.41
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 论文的研究背景15-22
• 1.1.1 复杂力场环境概述15-18
• 1.1.2 复杂力场天体探测的典型任务18-22
• 1.2 复杂力场天体探测的研究进展22-28
• 1.2.1 弹道捕获的研究进展22-25
• 1.2.2 大气制动与大气捕获的研究进展25-27
• 1.2.3 大气进入制导方法的研究进展27-28
• 1.3 论文的选题依据与研究内容28-31
• 1.3.1 选题依据28-29
• 1.3.2 主要研究内容29-31
• 第二章 弹道捕获轨道的构建方法31-51
• 2.1 弹道捕获涉及的动力学模型31-34
• 2.1.1 参考坐标系31-34
• 2.1.2 动力学方程34
• 2.2 弹道捕获轨道的构建和稳定性指标34-40
• 2.2.1 轨道稳定性判据的提出35-38
• 2.2.2 弹道捕获轨道的构建38-39
• 2.2.3 轨道稳定性指标的定义39-40
• 2.3 弹道捕获在真实星历环境中的应用40-48
• 2.3.1 水星弹道捕获轨道41-45
• 2.3.2 木卫二弹道捕获轨道45-46
• 2.3.3 地球弹道捕获轨道46-48
• 2.4 小结48-51
• 第三章 弹道捕获轨道的影响因素分析51-73
• 3.1 太阳—行星系统中弹道捕获的影响因素分析51-62
• 3.1.1 太阳—行星系统中的动力学模型51-53
• 3.1.2 行星轨道偏心率的影响53-56
• 3.1.3 行星轨道真近点角的影响56-60
• 3.1.4 初始时刻密切椭圆空间指向的影响60-62
• 3.2 目标天体的自然卫星对弹道捕获的影响62-72
• 3.2.1 考虑自然卫星时弹道捕获轨道的构建62-64
• 3.2.2 弹道捕获轨道的性能评价指标64-65
• 3.2.3 月球对地球弹道捕获的影响65-68
• 3.2.4 伽利略卫星对木星弹道捕获的影响68-72
• 3.3 小结72-73
• 第四章 利用大气制动模式辅助弹道捕获73-103
• 4.1 大气制动与弹道捕获的结合策略73-79
• 4.1.1 大气制动涉及的动力学模型73-76
• 4.1.2 基本流程76-79
• 4.2 大气制动过程中轨道倾角的调整79-86
• 4.2.1 基于脉冲修正的倾角调整策略79-82
• 4.2.2 基于姿态偏航角修正的倾角调整策略82-86
• 4.3 利用大气制动辅助弹道捕获的应用实例86-102
• 4.3.1 火星探测任务86-90
• 4.3.2 小行星采样返回任务90-95
• 4.3.3 地球—金星探测任务95-102
• 4.4 小结102-103
• 第五章 利用大气捕获模式辅助弹道捕获103-119
• 5.1 大气捕获涉及的动力学模型103-106
• 5.1.1 参考坐标系104-105
• 5.1.2 动力学方程105-106
• 5.2 大气捕获与弹道捕获的结合策略106-110
• 5.2.1 近拱点动压的预测106-108
• 5.2.2 近拱点动压的瞄准和轨道倾角的调整108-110
• 5.3 大气捕获在火星探测任务中的应用110-118
• 5.3.1 仿真结果110-116
• 5.3.2 进一步讨论116-118
• 5.4 小结118-119
• 第六章 跳跃式再入制导119-139
• 6.1 再入动力学模型119-122
• 6.1.1 参考坐标系120-121
• 6.1.2 动力学方程121-122
• 6.2 跳跃式再入制导方法122-132
• 6.2.1 倾侧角幅值剖面的选取122-125
• 6.2.2 倾侧角翻转逻辑的设计125-130
• 6.2.3 快速预报与轨道校正130-132
• 6.3 基于Monte Carlo仿真的制导性能评估132-138
• 6.3.1 Monte Carlo仿真参数设置133-134
• 6.3.2 Monte Carlo仿真结果134-136
• 6.3.3 拼接漏斗获取方法演示136-138
• 6.4 小结138-139
• 第七章 结论与展望139-143
• 7.1 主要研究成果139-141
• 7.2 主要创新点141-142
• 7.3 进一步研究的展望142-143
• 致谢143-145
• 参考文献145-159
• 作者在学期间取得的学术成果159-160

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本文编号：869818