本文關(guān)鍵詞：復(fù)雜力場天體探測器捕獲軌道設(shè)計與大氣進(jìn)入制導(dǎo)研究

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【摘要】：隨著深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的探測任務(wù)面臨復(fù)雜的力場環(huán)境。充分利用環(huán)境作用實現(xiàn)目標(biāo)天體探測器的低燃耗繞飛軌道捕獲和表面著陸已經(jīng)成為航天動力學(xué)的研究熱點。本文針對目標(biāo)天體附近多天體引力和大氣所構(gòu)成的復(fù)雜力場環(huán)境,研究了探測器彈道捕獲、大氣制動和大氣捕獲所涉及的軌道設(shè)計問題以及大氣進(jìn)入所涉及的制導(dǎo)問題,主要研究成果如下:一、提出了一套適用于不同動力學(xué)模型、不同應(yīng)用背景的彈道捕獲軌道構(gòu)建方法。對目標(biāo)天體附近的初始條件進(jìn)行離散化,利用數(shù)值方法前向和后向積分離散化的初始條件;根據(jù)建立的軌道穩(wěn)定性判據(jù),將積分后得到的軌道分為弱穩(wěn)定、不穩(wěn)定、撞擊和擺動四類,對應(yīng)的初始條件劃分為弱穩(wěn)定集、不穩(wěn)定集、撞擊集和擺動集四部分;利用前向弱穩(wěn)定集和后向不穩(wěn)定集的相交操作構(gòu)造彈道捕獲軌道;提出了一個與時間相關(guān)的穩(wěn)定性指標(biāo)對捕獲集內(nèi)軌道的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評價;將構(gòu)建算法和穩(wěn)定性指標(biāo)應(yīng)用于水星、木衛(wèi)二和地球捕獲任務(wù),仿真結(jié)果驗證了構(gòu)建算法的可行性和穩(wěn)定性指標(biāo)的有效性。二、系統(tǒng)分析了動力學(xué)模型(含CRTBP、ERTBP和星歷模型)、目標(biāo)天體的真近點角、初始密切橢圓的空間指向以及目標(biāo)天體是否存在自然衛(wèi)星對彈道捕獲的影響,為彈道捕獲初始參數(shù)的設(shè)置和動力學(xué)模型的選取提供了理論依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn):1)目標(biāo)天體的軌道偏心率對彈道捕獲影響較大,不可忽略;行星軌道偏心率大有利于彈道捕獲現(xiàn)象的發(fā)生;2)真近點角位于第II和III象限(第I和IV象限)時更利于初始順行軌道(逆行軌道)彈道捕獲現(xiàn)象的發(fā)生;真近點角處于π/4-π/2區(qū)間時有利于產(chǎn)生規(guī)則、穩(wěn)定的捕獲軌道;3)空間指向?qū)Σ东@動力學(xué)影響較大;傾角位于40-70°和150-160°兩個區(qū)間有利于彈道捕獲的發(fā)生以及捕獲到規(guī)則、穩(wěn)定軌道上;最大捕獲概率與理想軌道對應(yīng)的空間指向條件基本一致;4)自然衛(wèi)星有利于將高能目標(biāo)捕獲到穩(wěn)定軌道,且使永久捕獲成為可能。三、提出了一種利用大氣制動模式輔助彈道捕獲的低燃耗入軌方式。設(shè)計了一套將大氣制動與彈道捕獲相結(jié)合的方法;提出了脈沖修正和姿態(tài)偏航角兩種軌道傾角調(diào)整策略,并解析推導(dǎo)了最優(yōu)偏航角的選取方法;將所提方法應(yīng)用于火星捕獲任務(wù)、小行星采樣返回任務(wù)和地球—金星探測任務(wù)。仿真結(jié)果表明:大氣制動與彈道捕獲相結(jié)合的入軌方式能夠大幅降低將探測器捕獲到目標(biāo)天體繞飛軌道的燃耗。四、提出了一種利用大氣捕獲模式輔助彈道捕獲的低燃耗入軌方式。設(shè)計了一套將大氣捕獲與彈道捕獲相結(jié)合的方法;提出了一種半解析的近拱點動壓快速計算方法。仿真結(jié)果表明:該入軌方式不僅能夠大幅降低單次大氣穿越的熱壓峰值,減輕熱防護(hù)系統(tǒng)質(zhì)量,而且能夠規(guī)避傳統(tǒng)大氣捕獲的“單點任務(wù)失敗”風(fēng)險。五、提出了一種精度高、過載合理和易于工程實現(xiàn)的跳躍式再入制導(dǎo)方法。根據(jù)跳躍式再入的參數(shù)變化特性,設(shè)計了分段線性的傾側(cè)角幅值剖面;通過分析開普勒段的動力學(xué)特性,構(gòu)造了橫向“拼接漏斗”;基于實時測量數(shù)據(jù)和參數(shù)擬合,得到了一種改進(jìn)的大氣密度和氣動系數(shù)誤差補(bǔ)償方法。三自由度Monte Carlo仿真表明該跳躍式再入制導(dǎo)方法能夠滿足精度要求,具有工程應(yīng)用價值�？傊�,本文拓展了彈道捕獲的應(yīng)用,將其與大氣制動/大氣捕獲/大氣進(jìn)入相結(jié)合,實現(xiàn)了以較低燃耗將探測器捕獲到大橢圓弱穩(wěn)定軌道、任務(wù)圓軌道或天體表面的目的,可為我國未來開展的深空探測任務(wù)提供理論支持。
【關(guān)鍵詞】：復(fù)雜力場 軌道設(shè)計 彈道捕獲 大氣制動 大氣捕獲 跳躍式再入 制導(dǎo)
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2;V412.41
【目錄】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第一章 緒論15-31
• 1.1 論文的研究背景15-22
• 1.1.1 復(fù)雜力場環(huán)境概述15-18
• 1.1.2 復(fù)雜力場天體探測的典型任務(wù)18-22
• 1.2 復(fù)雜力場天體探測的研究進(jìn)展22-28
• 1.2.1 彈道捕獲的研究進(jìn)展22-25
• 1.2.2 大氣制動與大氣捕獲的研究進(jìn)展25-27
• 1.2.3 大氣進(jìn)入制導(dǎo)方法的研究進(jìn)展27-28
• 1.3 論文的選題依據(jù)與研究內(nèi)容28-31
• 1.3.1 選題依據(jù)28-29
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容29-31
• 第二章 彈道捕獲軌道的構(gòu)建方法31-51
• 2.1 彈道捕獲涉及的動力學(xué)模型31-34
• 2.1.1 參考坐標(biāo)系31-34
• 2.1.2 動力學(xué)方程34
• 2.2 彈道捕獲軌道的構(gòu)建和穩(wěn)定性指標(biāo)34-40
• 2.2.1 軌道穩(wěn)定性判據(jù)的提出35-38
• 2.2.2 彈道捕獲軌道的構(gòu)建38-39
• 2.2.3 軌道穩(wěn)定性指標(biāo)的定義39-40
• 2.3 彈道捕獲在真實星歷環(huán)境中的應(yīng)用40-48
• 2.3.1 水星彈道捕獲軌道41-45
• 2.3.2 木衛(wèi)二彈道捕獲軌道45-46
• 2.3.3 地球彈道捕獲軌道46-48
• 2.4 小結(jié)48-51
• 第三章 彈道捕獲軌道的影響因素分析51-73
• 3.1 太陽—行星系統(tǒng)中彈道捕獲的影響因素分析51-62
• 3.1.1 太陽—行星系統(tǒng)中的動力學(xué)模型51-53
• 3.1.2 行星軌道偏心率的影響53-56
• 3.1.3 行星軌道真近點角的影響56-60
• 3.1.4 初始時刻密切橢圓空間指向的影響60-62
• 3.2 目標(biāo)天體的自然衛(wèi)星對彈道捕獲的影響62-72
• 3.2.1 考慮自然衛(wèi)星時彈道捕獲軌道的構(gòu)建62-64
• 3.2.2 彈道捕獲軌道的性能評價指標(biāo)64-65
• 3.2.3 月球?qū)Φ厍驈椀啦东@的影響65-68
• 3.2.4 伽利略衛(wèi)星對木星彈道捕獲的影響68-72
• 3.3 小結(jié)72-73
• 第四章 利用大氣制動模式輔助彈道捕獲73-103
• 4.1 大氣制動與彈道捕獲的結(jié)合策略73-79
• 4.1.1 大氣制動涉及的動力學(xué)模型73-76
• 4.1.2 基本流程76-79
• 4.2 大氣制動過程中軌道傾角的調(diào)整79-86
• 4.2.1 基于脈沖修正的傾角調(diào)整策略79-82
• 4.2.2 基于姿態(tài)偏航角修正的傾角調(diào)整策略82-86
• 4.3 利用大氣制動輔助彈道捕獲的應(yīng)用實例86-102
• 4.3.1 火星探測任務(wù)86-90
• 4.3.2 小行星采樣返回任務(wù)90-95
• 4.3.3 地球—金星探測任務(wù)95-102
• 4.4 小結(jié)102-103
• 第五章 利用大氣捕獲模式輔助彈道捕獲103-119
• 5.1 大氣捕獲涉及的動力學(xué)模型103-106
• 5.1.1 參考坐標(biāo)系104-105
• 5.1.2 動力學(xué)方程105-106
• 5.2 大氣捕獲與彈道捕獲的結(jié)合策略106-110
• 5.2.1 近拱點動壓的預(yù)測106-108
• 5.2.2 近拱點動壓的瞄準(zhǔn)和軌道傾角的調(diào)整108-110
• 5.3 大氣捕獲在火星探測任務(wù)中的應(yīng)用110-118
• 5.3.1 仿真結(jié)果110-116
• 5.3.2 進(jìn)一步討論116-118
• 5.4 小結(jié)118-119
• 第六章 跳躍式再入制導(dǎo)119-139
• 6.1 再入動力學(xué)模型119-122
• 6.1.1 參考坐標(biāo)系120-121
• 6.1.2 動力學(xué)方程121-122
• 6.2 跳躍式再入制導(dǎo)方法122-132
• 6.2.1 傾側(cè)角幅值剖面的選取122-125
• 6.2.2 傾側(cè)角翻轉(zhuǎn)邏輯的設(shè)計125-130
• 6.2.3 快速預(yù)報與軌道校正130-132
• 6.3 基于Monte Carlo仿真的制導(dǎo)性能評估132-138
• 6.3.1 Monte Carlo仿真參數(shù)設(shè)置133-134
• 6.3.2 Monte Carlo仿真結(jié)果134-136
• 6.3.3 拼接漏斗獲取方法演示136-138
• 6.4 小結(jié)138-139
• 第七章 結(jié)論與展望139-143
• 7.1 主要研究成果139-141
• 7.2 主要創(chuàng)新點141-142
• 7.3 進(jìn)一步研究的展望142-143
• 致謝143-145
• 參考文獻(xiàn)145-159
• 作者在學(xué)期間取得的學(xué)術(shù)成果159-160

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