基于引力輔助的深空探測(cè)軌道設(shè)計(jì)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(cè)計(jì)劃的制定，我國(guó)航天事業(yè)的版圖向深空領(lǐng)域進(jìn)一步拓展。深空探測(cè)項(xiàng)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(cè)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(bào)而進(jìn)行多目標(biāo)探測(cè)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(jì)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(jì)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(jì)中，最后針對(duì)工程應(yīng)用需求初步設(shè)計(jì)并實(shí)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(dòng)力學(xué)模型，提出了在近星點(diǎn)和行星影響球邊緣施加機(jī)動(dòng)的兩種有動(dòng)力引力輔助方案，計(jì)算了考慮探測(cè)器和借力行星約束情況下的機(jī)動(dòng)脈沖大小，分析了引力輔助對(duì)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(jì)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(jì)問(wèn)題，并以探測(cè)火星的算例驗(yàn)證上述方法的有效性。
　　對(duì)于遙遠(yuǎn)

3、深空和多目標(biāo)探測(cè)的問(wèn)題，進(jìn)一步研究了多重引力輔助軌道的設(shè)計(jì)。研究了兩種應(yīng)用于有約束非線性問(wèn)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(jì)方案，包括以時(shí)間序列為決策變量的有動(dòng)力多重引力輔助模型和附加深空機(jī)動(dòng)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(jì)問(wèn)題。
　　以引力輔助為基礎(chǔ)，分析了探測(cè)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(jì)參數(shù)間的關(guān)系。針對(duì)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(guò)仿真算例驗(yàn)證了模型的正確性和方法的有效性。
　　基于深空探測(cè)軌道仿真軟件的研制需求，分析了軟件的總體設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)，以MatLab的GUI交互式設(shè)計(jì)界面為平臺(tái)對(duì)仿真軟件作了初步實(shí)現(xiàn)。以深空探測(cè)任務(wù)軌道設(shè)計(jì)為核心，設(shè)計(jì)了四大模塊，各模塊間有接口以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)繼承。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例演示了軟件的使用流程，并驗(yàn)證了其功能的完整性