【摘要】：火星上升器(Mars Ascent Vehicle,MAV)的設(shè)計與其軌跡設(shè)計緊密相關(guān),而現(xiàn)有方法大都將MAV的分級優(yōu)化和軌跡優(yōu)化解耦計算,計算效率較低。本文提出了一種針對兩級火星上升器的帶初值估計的分級與軌跡一體化優(yōu)化方法,該方法分為兩部分:其一為兩級MAV分級優(yōu)化初始化解析方法,由于MAV的上升軌跡更接近于霍曼轉(zhuǎn)移,使用解析模型估計氣動力、控制力及重力帶來的速度損失,可以快速獲得較高精度的MAV分級設(shè)計,并將此作為下一步優(yōu)化程序的初始猜測值;其二為兩級MAV的分級與軌跡耦合多階段優(yōu)化算法,它以MAV的發(fā)射總質(zhì)量最小為目標函數(shù),考慮MAV設(shè)計約束、軌跡的路徑約束和控制約束等,基于高斯偽譜法優(yōu)化器(GPOPS-II)進行算法設(shè)計。數(shù)值仿真結(jié)果表明MAV分級優(yōu)化初始化解析方法對MAV的總發(fā)射質(zhì)量的估計誤差在百分之一以內(nèi),且以該分級優(yōu)化初始化結(jié)果作為MAV的分級與軌跡耦合多階段優(yōu)化算法的初值可以將算法收斂速度提升一個數(shù)量級。針對未來的火星采樣返回任務(wù)采用兩級固體火箭的火星上升器設(shè)計方案,現(xiàn)有的“阿波羅”式火星表面上升制導(dǎo)方法沒有考慮火星大氣影響,在引入姿態(tài)控制條件約束后制導(dǎo)精度大幅劣化。本文對該方法進行改進研究,在彈道面內(nèi)軌跡跟蹤制導(dǎo)律的推導(dǎo)中增加對滑行段空氣阻力造成的速度損失的解析估計,提高上升軌道遠拱點軌道高度的精度;同時對彈道面轉(zhuǎn)動跟蹤制導(dǎo)律進行改進,將獨立變量由時間改為速度,大幅縮小了軌道傾角的誤差范圍。數(shù)值仿真結(jié)果表明本文提出的改進的“阿波羅”火星表面上升制導(dǎo)方法能夠顯著提高火星表面上升制導(dǎo)精度,減小火星樣本艙的入軌誤差,為火星軌道交會的成功創(chuàng)造有利條件。本文基于相對運動理論提出火星中間交會制導(dǎo)算法。其原理為將原軌跡與軌跡修正后軌跡視為一主一從兩個空間目標,建立相對運動模型,由終端相對狀態(tài)求解初始軌跡修正速度增量�；鹦侵虚g交會段的飛行時間較長且初始速度增量較大,導(dǎo)致原J2STM制導(dǎo)法的誤差過大而無法適用。本文提出了一種串聯(lián)制導(dǎo)方法,以lambert法解得的修正后軌跡為基礎(chǔ),進一步使用J2STM法求解初始軌跡修正速度增量。通過仿真驗證可知串聯(lián)制導(dǎo)法可以顯著提升制導(dǎo)精度,且運算速度較快。
【圖文】：

圖 1. 1 三元火星采樣返回計劃方案[3]1.1.3 研究目的與意義火星表面 MAV 發(fā)射入軌和火星軌道交會捕獲是火星采樣返回任務(wù)最關(guān)鍵、最危險的環(huán)之一。美國的“海盜號”、“勇氣號”等一系列火星著陸探索任務(wù)驗證了火星進入、下降和著

圖 1. 2 “直接返回”與“交會對接”方案”方案就是 MAV 與 ERV（Earth Return Vehicle，地球返回器）面級。這樣 MAV 從火星表面發(fā)射將火星樣本和 ERV 推入火星道返回地球，此過程與將火星車從地球表面發(fā)射送往火星類似”方案是指 ERV 不與 MAV 一起下降到火星表面，而是由 MA
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V448.2

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前8條

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本文編號：2664005