深空探測小推力低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計方法研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，深空探測已成為各國關(guān)注的高科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)?；诜情_普勒軌道的小推力、低能轉(zhuǎn)移是宇航動力學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿，開展快速、精確、省燃料的軌道設(shè)計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)計為背景，分析了限制性三體問題動力學(xué)不變流形特性；提出了不變流形快速數(shù)值近似計算方法并基于該方法計算可達(dá)域，為低能轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計快速提供初始猜測值，實(shí)現(xiàn)了地-月小推力、低能轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計；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。
　　論文的主要研究工作如下：
　　(1)對限制性三體問題的動力學(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算方法，為本文不變流形快速數(shù)值計算和低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。
　　(2)結(jié)合不變流形在未來深空探測軌道設(shè)計

3、中的應(yīng)用需求，分析了一般的不變流形計算方法在低能轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計中的不足和缺點(diǎn)，以及不變流形快速計算在深空低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計中的重要性；對不變流形結(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算方法和不變流形微分修正方法；最后通過進(jìn)行大量的不變流形仿真計算，結(jié)果顯示該方法計算速度為積分方法的110倍以上，驗(yàn)證了本方法計算精度的有效性以及快速性。
　　(3)基于軌道優(yōu)化設(shè)計過程中的最優(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)計方面的缺點(diǎn)；提出了不變流形快速數(shù)值近似計算方法，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-月限制性三體問題系統(tǒng)小推力、低能軌道轉(zhuǎn)移優(yōu)化設(shè)計；通過仿真驗(yàn)證了該軌道設(shè)計方法在深空小推力、低能軌道優(yōu)化設(shè)計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)計提供了新的設(shè)計思路及途

5、徑。
　　(4)研究了基于形狀方法與可達(dá)域相結(jié)合的地-月限制性三體問題系統(tǒng)低能、小推力軌道轉(zhuǎn)移設(shè)計問題；推導(dǎo)了修正指數(shù)正弦曲線在限制性三體問題系統(tǒng)動力學(xué)中的基本方程，分析其在低能轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計應(yīng)用中的有效性，同時分析了優(yōu)化過程中有效初始值對優(yōu)化結(jié)果計算效率的重要性；提出了首先結(jié)合不變流形快速數(shù)值近似計算進(jìn)行可達(dá)域計算，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)計方法。最后以燃料最省為優(yōu)化指標(biāo)，采用微分進(jìn)化