本文關(guān)鍵詞：載人登月多段自由返回軌道及受攝交會問題研究

  更多相關(guān)文章： 載人登月 高緯度再入 多段自由返回 交會對接 全月面覆蓋

【摘要】：載人登月是人類文明演化至今最為尖端的科技工程,它展現(xiàn)的是一個國家強(qiáng)大的科技、政治、軍事以及經(jīng)濟(jì)實力,彰顯的是國家和民族對未知世界探索的強(qiáng)烈渴望。本世紀(jì)初葉,美國Constellation計劃、歐洲Aurora計劃以及中國探月工程計劃的相繼提出,徹底拉開了人類重返外太空的序幕,載人登月也被賦予了全新的涵義和使命。探測內(nèi)容的多樣化,軌道設(shè)計的復(fù)雜精細(xì)化,宇航員安全保障的突出化,進(jìn)一步加大了載人登月工程任務(wù)設(shè)計的復(fù)雜度與難度。本文應(yīng)時代背景,嘗試解決工程任務(wù)設(shè)計中所遇到的軌道動力學(xué)問題,研究了精細(xì)模型下月球附近交會對接和全月面覆蓋變軌策略,提出了全程可自由返回的載人多段自由返回軌道,并確定了地月轉(zhuǎn)移新型軌道設(shè)計方案。在地月轉(zhuǎn)移新型軌道設(shè)計研究中,本文針對地球高緯度再入提出基于拱線偏置的返回軌道設(shè)計方案,確定了影響再入點方位和再入航程的主要設(shè)計參數(shù);改進(jìn)了圓錐曲線拼接模型下影響球處軌跡狀態(tài)求解算法,合理避開影響球處初值猜測,減少了數(shù)值修正,提高了計算效率。在多段自由返回軌道研究中,本文強(qiáng)調(diào)軌道設(shè)計的靈活度和故障返回的可行度。經(jīng)典自由返回軌道設(shè)計難度大、發(fā)射窗口窄,無法有效保證光照和測控要求的滿足;Hybrid軌道雖設(shè)計靈活、窗口較寬,但犧牲了安全屬性;多段自由返回軌道兼收并蓄,軌道設(shè)計不僅靈活且滿足無動力故障返回。本文在圓錐曲線拼接模型下完成多段軌道定義,在次高精度偽狀態(tài)模型下,完成軌道解析建模與特性分析。數(shù)值計算表明偽狀態(tài)模型誤差僅為圓錐曲線拼接模型誤差的10%。在月球附近交會對接控制策略研究中,本文強(qiáng)調(diào)規(guī)劃算法的精確性與時效性。提出三步迭代法,完成控制策略由C-W模型、二體模型到高精度模型的演化,并比對遺傳算法,證明了三步迭代法的最優(yōu)性。引入J2攝動模型,完成局部最優(yōu)控制策略的解析構(gòu)建,顯著減小了因C-W模型不精確帶來的法向變軌誤差,并有效避免了因多步迭代帶來的時間損耗。數(shù)值計算表明,交會終端位置誤差僅為C-W模型的誤差的1%;脈沖近似解可有效轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢尥屏�。在全月面覆蓋控制策略研究中,本文關(guān)注規(guī)劃算法的合理性與故障返回的可行性。提出基于多段自由返回軌道的多脈沖控制策略。數(shù)值仿真表明,全月面覆蓋所需總脈沖消耗小于2.6km/s,多段中途轉(zhuǎn)移脈沖消耗小于0.4km/s。
【關(guān)鍵詞】：載人登月 高緯度再入 多段自由返回 交會對接 全月面覆蓋
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V412.41
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-13
• 第1章 緒論13-24
• 1.1 研究背景與意義13-15
• 1.2 研究現(xiàn)狀綜述15-21
• 1.2.1 載人登月軌道研究15-17
• 1.2.2 地-月間轉(zhuǎn)移軌道研究17-18
• 1.2.3 地球和月球附近交會對接18-20
• 1.2.4 全月面覆蓋20-21
• 1.3 本文的工作和創(chuàng)新點21-24
• 1.3.1 本文的工作21-22
• 1.3.2 主要創(chuàng)新點22-24
• 第2章 月球探測器轉(zhuǎn)移軌道和發(fā)射窗口特性24-45
• 2.1 引言24-25
• 2.2 地月引力空間轉(zhuǎn)移軌道解析模型25-33
• 2.2.1 地月引力場模型25
• 2.2.2 地-月轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計25-29
• 2.2.3 月-地轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計29-33
• 2.3 地-月間發(fā)射窗口33-40
• 2.3.1 地球出發(fā)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 本章小結(jié)43-45
• 第3章 載人登月多段自由返回軌道45-83
• 3.1 引言45-46
• 3.2 多段自由返回軌道46-64
• 3.2.1 軌道定義46-47
• 3.2.2 多段自由返回軌道構(gòu)建47-59
• 3.2.3 中途轉(zhuǎn)移脈沖59-64
• 3.3 多段自由返回軌道特性分析64-77
• 3.3.1 軌道特性64-69
• 3.3.2 發(fā)射窗口69-77
• 3.4 高精度模型修正77-81
• 3.5 本章小結(jié)81-83
• 第4章 基于偽狀態(tài)理論高精度多段自由返回軌道83-105
• 4.1 引言83-84
• 4.2 偽狀態(tài)理論84-85
• 4.3 偽狀態(tài)模型下多段自由返回軌道設(shè)計85-94
• 4.3.1 奔月段自由返回軌道85-88
• 4.3.2 Quasi-Lambert問題88-91
• 4.3.3 繞月段自由返回軌道91-92
• 4.3.4 初值修正92-94
• 4.4 繞月段與月球返回段軌道特性94-98
• 4.5 高精度模型下數(shù)值評估98-103
• 4.6 本章小結(jié)103-105
• 第5章 月球著陸器自主交會對接變軌策略規(guī)劃105-125
• 5.1 引言105
• 5.2 交會對接線性化模型105-115
• 5.2.1 相對運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣107-109
• 5.2.2 初始與末端條件109-112
• 5.2.3 交會對接方程組112-115
• 5.3 多模型迭代115-117
• 5.4 數(shù)值仿真117-123
• 5.5 本章小結(jié)123-125
• 第6章 考慮J_2攝動月球附近交會對接局部最優(yōu)控制125-142
• 6.1 引言125-126
• 6.2 受攝相對運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣126-127
• 6.3 交會對接變軌策略優(yōu)化127-133
• 6.3.1 目標(biāo)函數(shù)與約束127-128
• 6.3.2 解析梯度推導(dǎo)128-131
• 6.3.3 目標(biāo)函數(shù)與過程以及終端約束梯度131-133
• 6.4 數(shù)值仿真算例133-141
• 6.4.1 簡化的Gim-Alfiend狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣精度133-135
• 6.4.2 交會對接過程優(yōu)化算例135-138
• 6.4.3 有限推力模型下變軌策略138-139
• 6.4.4 交會對接軌跡分析139-141
• 6.5 本章小結(jié)141-142
• 第7章 全月面覆蓋變軌策略142-155
• 7.1 引言142
• 7.2 多段自由返回軌道142-146
• 7.2.1 限制性三體模型142-144
• 7.2.2 軌道一般特性144-146
• 7.3 全月面覆蓋變軌策略規(guī)劃146-151
• 7.3.1 二體模型下變軌策略規(guī)劃146-150
• 7.3.2 高精度模型下修正150-151
• 7.4 數(shù)值仿真算例151-154
• 7.5 本章小結(jié)154-155
• 第8章 結(jié)論155-158
• 8.1 研究總結(jié)155-156
• 8.2 展望156-158
• 參考文獻(xiàn)158-168
• 致謝168-170
• 附錄A Trust-Region Dogleg算法170-171
• 附錄B 簡化的Gim-Alffiend狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣171-177
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果177-178

，

本文編號：664023