基于引力輔助的深空探測軌道設(shè)計與優(yōu)化研究.pdf

1、隨著探月工程的成功推進(jìn)和火星探測計劃的制定，我國航天事業(yè)的版圖向深空領(lǐng)域進(jìn)一步拓展。深空探測項目往往耗費(fèi)巨大，且運(yùn)載火箭的發(fā)射能力有限，從保證探測器能夠攜帶足夠的有效載荷，以及為增加任務(wù)科學(xué)回報而進(jìn)行多目標(biāo)探測等方面出發(fā)，借助自然天體的引力輔助變軌成為深空軌道設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。本文系統(tǒng)研究了引力輔助的原理和基于引力輔助的深空軌道設(shè)計與優(yōu)化方法，并將其延拓到共振軌道等特殊軌道的設(shè)計中，最后針對工程應(yīng)用需求初步設(shè)計并實現(xiàn)了一套深空軌道仿真分

2、析軟件。
　　建立了引力輔助的動力學(xué)模型，提出了在近星點和行星影響球邊緣施加機(jī)動的兩種有動力引力輔助方案，計算了考慮探測器和借力行星約束情況下的機(jī)動脈沖大小，分析了引力輔助對軌道能量和軌道方向改變的影響。
　　研究了基于引力輔助的軌道設(shè)計方法，推導(dǎo)并分析了兩種能量圖以分析優(yōu)化發(fā)射匹配窗口和尋找最優(yōu)引力輔助序列，分析了基于能量匹配和圓錐曲線拼接的深空軌道分段設(shè)計問題，并以探測火星的算例驗證上述方法的有效性。
　　對于遙遠(yuǎn)

3、深空和多目標(biāo)探測的問題，進(jìn)一步研究了多重引力輔助軌道的設(shè)計。研究了兩種應(yīng)用于有約束非線性問題的全局優(yōu)化算法，推導(dǎo)了兩類多重引力輔助軌道設(shè)計方案，包括以時間序列為決策變量的有動力多重引力輔助模型和附加深空機(jī)動的多重引力輔助模型。在仿真算例中，結(jié)合能量圖分析和全局局部混合優(yōu)化求解了這兩類多重引力輔助軌道設(shè)計問題。
　　以引力輔助為基礎(chǔ)，分析了探測器與借力行星軌道共振的基本原理，推導(dǎo)了共振比與超越速度俯仰角和方位角間的關(guān)系，進(jìn)一步建立了

4、軌道能量和軌道傾角與引力輔助設(shè)計參數(shù)間的關(guān)系。針對改變軌道能量和改變軌道傾角兩種應(yīng)用需求，分析了共振借力的作用效果，通過仿真算例驗證了模型的正確性和方法的有效性。
　　基于深空探測軌道仿真軟件的研制需求，分析了軟件的總體設(shè)計和流程設(shè)計，以MatLab的GUI交互式設(shè)計界面為平臺對仿真軟件作了初步實現(xiàn)。以深空探測任務(wù)軌道設(shè)計為核心，設(shè)計了四大模塊，各模塊間有接口以實現(xiàn)數(shù)據(jù)繼承。通過設(shè)計實例演示了軟件的使用流程，并驗證了其功能的完整性