深空探測(cè)小推力低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，深空探測(cè)已成為各國(guó)關(guān)注的高科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)。基于非開(kāi)普勒軌道的小推力、低能轉(zhuǎn)移是宇航動(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿，開(kāi)展快速、精確、省燃料的軌道設(shè)計(jì)理論和方法研究具有重要的理論研究意義。
　　本文以小推力、低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)為背景，分析了限制性三體問(wèn)題動(dòng)力學(xué)不變流形特性；提出了不變流形快速數(shù)值近似計(jì)算方法并基于該方法計(jì)算可達(dá)域，為低能轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)快速提供初始猜測(cè)值，實(shí)現(xiàn)了地-月小推力、低能轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)；采用基于

2、形狀的方法實(shí)現(xiàn)了從地球停泊軌道到穩(wěn)定不變流形之間的低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)。
　　論文的主要研究工作如下：
　　(1)對(duì)限制性三體問(wèn)題的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)及其特有的能量曲面、零速度曲面及Hill區(qū)域、平衡點(diǎn)等性質(zhì)及其計(jì)算方法進(jìn)行了研究；結(jié)合平衡點(diǎn)及周期軌道，分析了不變流形結(jié)構(gòu)及特性，給出了一般的平面不變流形和空間不變流形的計(jì)算方法，為本文不變流形快速數(shù)值計(jì)算和低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。
　　(2)結(jié)合不變流形在未來(lái)深空探測(cè)軌道設(shè)計(jì)

3、中的應(yīng)用需求，分析了一般的不變流形計(jì)算方法在低能轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的不足和缺點(diǎn)，以及不變流形快速計(jì)算在深空低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)中的重要性；對(duì)不變流形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析并構(gòu)建了不變流形網(wǎng)格；基于二維插值理論，提出了二維不變流形三次近似樣條插值計(jì)算方法和不變流形微分修正方法；最后通過(guò)進(jìn)行大量的不變流形仿真計(jì)算，結(jié)果顯示該方法計(jì)算速度為積分方法的110倍以上，驗(yàn)證了本方法計(jì)算精度的有效性以及快速性。
　　(3)基于軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的最優(yōu)控制理

4、論，分析了傳統(tǒng)的基于龐加萊截面法在深空低能轉(zhuǎn)移軌道快速、在線優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的缺點(diǎn)；提出了不變流形快速數(shù)值近似計(jì)算方法，并實(shí)現(xiàn)了同宿軌道和異宿軌道連接快速求解；結(jié)合可達(dá)域并基于不變流形快速數(shù)值近似計(jì)算，為低能轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化快速提供初值，采用直接優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了地-月限制性三體問(wèn)題系統(tǒng)小推力、低能軌道轉(zhuǎn)移優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過(guò)仿真驗(yàn)證了該軌道設(shè)計(jì)方法在深空小推力、低能軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)中的有效性及快速性，為深空任務(wù)航天器在軌、快速軌道設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路及途

5、徑。
　　(4)研究了基于形狀方法與可達(dá)域相結(jié)合的地-月限制性三體問(wèn)題系統(tǒng)低能、小推力軌道轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)問(wèn)題；推導(dǎo)了修正指數(shù)正弦曲線在限制性三體問(wèn)題系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的基本方程，分析其在低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)應(yīng)用中的有效性，同時(shí)分析了優(yōu)化過(guò)程中有效初始值對(duì)優(yōu)化結(jié)果計(jì)算效率的重要性；提出了首先結(jié)合不變流形快速數(shù)值近似計(jì)算進(jìn)行可達(dá)域計(jì)算，并提出了基于形狀方法提供有效初始約束條件的地-月低能、小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法。最后以燃料最省為優(yōu)化指標(biāo)，采用微分進(jìn)化