本文關(guān)鍵詞：行星際低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法研究

  更多相關(guān)文章： 深空探測(cè) 轉(zhuǎn)移軌道 低能量 擾動(dòng)流形 行星借力

【摘要】：在傳統(tǒng)的行星際探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)中，通常將主天體以外的引力作用考慮為攝動(dòng)力，在探測(cè)器的轉(zhuǎn)移過程中這些力往往起到阻撓的作用。近年來，考慮多個(gè)天體作用的低能量轉(zhuǎn)移技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛關(guān)注。低能量轉(zhuǎn)移軌道指多體系統(tǒng)中引力綜合作用下存在的一類轉(zhuǎn)移能量低于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移方式的軌道。利用低能量轉(zhuǎn)移軌道可以有效降低探測(cè)器的燃料消耗，提高探測(cè)器的有效載荷。與此同時(shí)，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜、低能量轉(zhuǎn)移軌道耗時(shí)較長(zhǎng)的特點(diǎn)也給行星際低能量轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計(jì)與優(yōu)化帶來了新的難題和挑戰(zhàn)。 本學(xué)位論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“深空探測(cè)中若干非線性動(dòng)力學(xué)與控制問題”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深空復(fù)雜序列微推進(jìn)軌道動(dòng)力學(xué)機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究”，針對(duì)行星際探測(cè)任務(wù)的低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題進(jìn)行了深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 研究了低能量轉(zhuǎn)移軌道的存在范圍問題�；谌w動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，給出了直接借用流形和結(jié)合行星借力兩種低能量轉(zhuǎn)移方式的速度增量估計(jì)方法，并分析了低能量轉(zhuǎn)移軌道的存在范圍。首先，基于三體軌道拼接方法給出兩種低能量轉(zhuǎn)移軌道的速度增量估計(jì)方法，并分析比較了二體直接轉(zhuǎn)移、二體借力轉(zhuǎn)移、直接借用流形轉(zhuǎn)移和結(jié)合行星借力的低能量轉(zhuǎn)移等四種方式。然后，，提出了環(huán)繞軌道出發(fā)的低能量軌道初始設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化方法，初始方法采用了三體拼接技術(shù)及龐加萊映射方法，可以快速的得到轉(zhuǎn)移軌道的重要參數(shù)；優(yōu)化方法則在四體模型下將轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)多參數(shù)優(yōu)化問題，可以通過序列二次優(yōu)化進(jìn)行快速求解。 研究了結(jié)合行星借力的低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)問題。分析了周期軌道作為行星際轉(zhuǎn)移中轉(zhuǎn)站的適用性問題，并給出了周期軌道間行星際低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法。首先，分析了L1或L2周期軌道出發(fā)的行星際轉(zhuǎn)移所需速度增量，從而明確了哪邊的周期軌道更適合向內(nèi)行星或外行星進(jìn)行轉(zhuǎn)移。然后，基于轉(zhuǎn)移軌道的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，采用模型拼接方法給出了一種快速的初始設(shè)計(jì)方法。初始設(shè)計(jì)方法中，通過引入近拱點(diǎn)龐加萊映射得到了不變流形的近拱點(diǎn)全局分布，并利用雙曲線逼近完成了近拱點(diǎn)與行星際轉(zhuǎn)移軌道間的拼接，從而在保證轉(zhuǎn)移軌道全局最優(yōu)性的同時(shí)可以完成軌道速度增量的快速計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，基于多重打靶法給出了星歷模型下的分步軌道優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法將軌道分為數(shù)段分別進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)非線性較強(qiáng)的流形段采用多重打靶法進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)跨模型的近拱點(diǎn)之間軌道轉(zhuǎn)移采用前后向積分的方法將末端約束轉(zhuǎn)換至敏感性較弱的深空中，有效提高了優(yōu)化問題的收斂性。 研究了引入擾動(dòng)流形的行星際低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)問題。首先，分析了穩(wěn)定系數(shù)較低的擾動(dòng)流形，從衍化的構(gòu)型以及飛行時(shí)間兩方面進(jìn)行了擾動(dòng)流形與不變流形之間的對(duì)比與分析。然后，給出了借用擾動(dòng)流形的快速低能量轉(zhuǎn)移軌道初始設(shè)計(jì)方法。在初始設(shè)計(jì)方法中，通過多模型拼接技術(shù)分步求解軌道的關(guān)鍵參數(shù)，可對(duì)天體星歷約束下的轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)行大范圍全局快速搜索，為探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)提供可行的快速低能量轉(zhuǎn)移方案初始解集。最后，為解決擾動(dòng)流形中時(shí)間與燃料消耗間的矛盾問題，構(gòu)建了低能量轉(zhuǎn)移軌道的多目標(biāo)優(yōu)化模型。在多目標(biāo)優(yōu)化中，采用樣條插值的方法對(duì)擾動(dòng)流形的近拱點(diǎn)進(jìn)行快速計(jì)算，避免了目標(biāo)函數(shù)計(jì)算過程中的積分過程，有效提高了優(yōu)化效率，可以快速得到平衡轉(zhuǎn)移時(shí)間與燃料消耗的解集。 在上述研究成果基礎(chǔ)上，對(duì)低能量載人小行星探測(cè)軌道進(jìn)行了詳細(xì)的分析與計(jì)算。首先，根據(jù)載人小行星探測(cè)的特點(diǎn)對(duì)任務(wù)約束進(jìn)行了詳盡的分析，并提出了工程可實(shí)施性和科學(xué)價(jià)值兼顧目標(biāo)小行星的篩選策略。然后，提出并分析對(duì)比了多種載人小行星探測(cè)方案，確定了適合載人小行星探測(cè)任務(wù)的低能量轉(zhuǎn)移方案。在此基礎(chǔ)上，分析了低能量探測(cè)方案中貨運(yùn)飛船的停泊軌道選擇問題。最后，針對(duì)載人小行星低能量轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算與分析，驗(yàn)證了本文所提轉(zhuǎn)移方案的實(shí)用性以及軌道設(shè)計(jì)方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：深空探測(cè) 轉(zhuǎn)移軌道 低能量 擾動(dòng)流形 行星借力
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V412.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 課題背景和意義12-13
• 1.1.1 課題來源12
• 1.1.2 研究的目的和意義12-13
• 1.2 低能量轉(zhuǎn)移任務(wù)概述13-17
• 1.2.1 太陽—地球平動(dòng)點(diǎn)任務(wù)13-15
• 1.2.2 地球—月球平動(dòng)點(diǎn)15-17
• 1.3 低能量轉(zhuǎn)移軌道研究概述17-24
• 1.3.1 同系統(tǒng)轉(zhuǎn)移軌道研究現(xiàn)狀18-21
• 1.3.2 異系統(tǒng)間轉(zhuǎn)移軌道研究現(xiàn)狀21-24
• 1.4 論文的主要研究?jī)?nèi)容24-26
• 1.4.1 論文的研究思路24
• 1.4.2 論文的主要研究?jī)?nèi)容24-26
• 第2章 行星際低能量轉(zhuǎn)移軌道初始評(píng)估與設(shè)計(jì)方法26-49
• 2.1 引言26
• 2.2 問題陳述26-29
• 2.3 逃逸或捕獲軌道轉(zhuǎn)移燃料消耗評(píng)估方法29-39
• 2.3.1 直接轉(zhuǎn)移與行星借力轉(zhuǎn)移的燃料評(píng)估29-31
• 2.3.2 Transit 轉(zhuǎn)移的燃耗評(píng)估31-35
• 2.3.3 低能量行星借力轉(zhuǎn)移的燃耗評(píng)估35-37
• 2.3.4 轉(zhuǎn)移方式適用范圍及討論37-39
• 2.4 低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法39-48
• 2.4.1 Transit 轉(zhuǎn)移軌道初始設(shè)計(jì)39-42
• 2.4.2 低能量行星借力軌道初始設(shè)計(jì)42-44
• 2.4.3 行星環(huán)繞軌道間的行星際轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化44-46
• 2.4.4 數(shù)值仿真與分析46-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第3章 基于引力輔助的行星際低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化49-73
• 3.1 引言49
• 3.2 結(jié)合行星借力與流形的逃逸或捕獲軌道分析49-59
• 3.2.1 轉(zhuǎn)移方式適用范圍分析50-51
• 3.2.2 不變流形的近拱點(diǎn)分布51-53
• 3.2.3 速度增量計(jì)算方法53-56
• 3.2.4 逃逸與捕獲軌道分析56-59
• 3.3 平面四體模型下的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化59-64
• 3.3.1 結(jié)合行星借力與流形的轉(zhuǎn)移軌道初始設(shè)計(jì)59-61
• 3.3.2 結(jié)合行星借力與流形的轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化61-62
• 3.3.3 數(shù)值仿真與分析62-64
• 3.4 低能量轉(zhuǎn)移軌道精確優(yōu)化方法64-71
• 3.4.1 多步打靶法65-66
• 3.4.2 星歷模型下的軌道優(yōu)化66-68
• 3.4.3 數(shù)值仿真與分析68-71
• 3.5 本章小結(jié)71-73
• 第4章 基于擾動(dòng)流形的快速低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化73-94
• 4.1 引言73
• 4.2 擾動(dòng)流形73-80
• 4.2.1 擾動(dòng)流形的構(gòu)型74-77
• 4.2.2 擾動(dòng)流形的飛行時(shí)間77-80
• 4.3 借用擾動(dòng)流形的軌道快速設(shè)計(jì)方法80-86
• 4.3.1 結(jié)合擾動(dòng)流形與行星借力的軌道設(shè)計(jì)80-82
• 4.3.2 數(shù)學(xué)仿真與分析82-86
• 4.4 低能量軌道的多目標(biāo)優(yōu)化86-93
• 4.4.1 結(jié)合擾動(dòng)流形與行星借力的轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化模型87-88
• 4.4.2 多目標(biāo)優(yōu)化算法88-89
• 4.4.3 數(shù)學(xué)仿真與分析89-93
• 4.5 本章小結(jié)93-94
• 第5章 載人小行星探測(cè)任務(wù)的低能量轉(zhuǎn)移方案設(shè)計(jì)與分析94-108
• 5.1 引言94
• 5.2 小行星目標(biāo)選擇94-98
• 5.2.1 載人小行星目標(biāo)選擇流程94-96
• 5.2.2 2020 年至 2030 年的探測(cè)目標(biāo)選擇96-98
• 5.3 低能量載人小行星探測(cè)方案98-102
• 5.3.1 載人小行星探測(cè)方案分析99-100
• 5.3.2 平動(dòng)點(diǎn)周期軌道適用性分析100-102
• 5.4 低能量載人小行星探測(cè)軌道設(shè)計(jì)與燃耗分析102-107
• 5.4.1 載人小行星探測(cè)軌道設(shè)計(jì)102-105
• 5.4.2 載人小行星探測(cè)任務(wù)燃耗分析105-107
• 5.5 本章小結(jié)107-108
• 結(jié)論與展望108-111
• 參考文獻(xiàn)111-120
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單120-122
• 致謝122-123
• 作者簡(jiǎn)介123

【參考文獻(xiàn)】

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