载人小行星探测转移轨道设计与优化

发布时间：2017-08-11 23:11

  本文关键词：载人小行星探测转移轨道设计与优化

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【摘要】：载人小行星探测是脱离地球影响球的长期行星际飞行,这种探测经历是载人登月任务无法替代的,也可以成为未来载人登陆火星的先导,具有重要的研究价值。行星际转移轨道的设计与优化是探测任务设计的关键技术之一,本文根据载人深空探测任务的特点,对行星际转移轨道的设计与优化问题进行深入研究。首先,通过求解Gauss问题绘制地球-小行星两脉冲转移轨道的能量等高图,得到探测器的初始转移轨道和发射窗口。然后,利用序列二次规划算法进行轨道优化,得到地球-小行星之间的最优两脉冲转移轨道。选取编号4660的Nereus小行星为探测目标,给出2018-2023年间的发射窗口与最优两脉冲转移轨道,验证算法的可靠性。该方法适用于搜索范围较大的脉冲转移轨道设计。其次,利用正弦指数函数逼近小推力转移轨迹的方法对小推力转移轨道的初始设计方法进行研究,并且给出基于该方法的发射窗口搜索步骤。针对小推力转移轨道和目标小行星投射轨道在参考面内的交点求解问题,给出定步长和定搜索方向的牛顿法求解方法。选取编号99942的Apophis小行星为探测目标,给出2015-2025年间的发射窗口与小推力转移轨道。该方法适用于小推力转移轨道初始参数的快速求解。最后,系统地研究伪谱法在小推力转移轨道优化设计中的应用。文中构造小推力轨迹优化的伪谱法格式,通过伪谱离散,将连续轨迹优化问题转化为非线性规划问题,并结合SNOPT求解器得到能量最优的小推力转移轨迹。选取编号4660的Nereus小行星为探测目标,给出地球-小行星之间的小推力转移轨道。该方法可以有效地求解燃料最优或者能量最优的小推力转移轨道优化问题。
【关键词】：载人小行星探测 行星际转移轨道 两脉冲转移轨道 小推力转移轨道 轨道设计与优化
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V412.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.1.1 课题背景10
• 1.1.2 课题研究的目的与意义10-11
• 1.2 国内外载人深空探测的发展现状及趋势11-15
• 1.3 转移轨道设计与优化方法研究现状15-17
• 1.3.1 脉冲转移轨道设计与优化方法研究现状15
• 1.3.2 小推力转移轨道设计与优化方法研究现状15-17
• 1.4 本文主要研究内容17-19
• 第2章 探测器轨道动力学模型19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 常用的空间坐标系19-21
• 2.3 二体问题21-24
• 2.3.1 动力学方程21-22
• 2.3.2 动力学方程的解22-24
• 2.4 小推力转移轨道动力学模型24-27
• 2.4.1 模型单位归一化处理24
• 2.4.2 笛卡尔坐标系下动力学模型24-25
• 2.4.3 球形坐标系下动力学模型25
• 2.4.4 传统轨道根数描述下的动力学模型25-26
• 2.4.5 改进春分点描述下的动力学模型26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 最优两脉冲转移轨道的设计与优化28-46
• 3.1 引言28
• 3.2 星历数据的获取28-29
• 3.3 问题的描述29-35
• 3.3.1 拉格朗日系数29-31
• 3.3.2 脉冲转移轨道的Gauss算法31-33
• 3.3.3 目标函数与约束33-35
• 3.4 基于序列二次规划算法的轨道优化35-38
• 3.4.1 非线性规划问题35
• 3.4.2 梯度、Hesse矩阵、Jacobi矩阵35-36
• 3.4.3 Kuhn-Tucker条件36-37
• 3.4.4 WHP法求解SQP问题37-38
• 3.5 主矢量算法对轨道优化情况分析38-40
• 3.6 仿真算例与分析40-45
• 3.7 本章小结45-46
• 第4章 基于形状方程的小推力转移轨道的初始设计46-57
• 4.1 引言46
• 4.2 基于正弦指数函数的小推力转移轨道理论基础46-49
• 4.3 小推力转移轨道的初始设计方法49-52
• 4.4 小推力转移轨道的搜索过程52-54
• 4.5 仿真算例与分析54-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 基于伪谱法的小推力转移轨道的优化设计57-73
• 5.1 引言57
• 5.2 轨迹优化设计的基本问题57
• 5.3 伪谱法的理论基础57-63
• 5.3.1 插值、逼近和高斯积分58-60
• 5.3.2 基于Gauss积分点的Lagrange插值60-61
• 5.3.3 微分矩阵与导数近似61-62
• 5.3.4 动态优化中的伪谱法62-63
• 5.4 小推力转移轨道优化设计的伪谱法63-70
• 5.4.1 小推力转移轨道设计的优化表达63-64
• 5.4.2 时间域的伪谱离散64-65
• 5.4.3 伪谱离散的转移轨道优化问题65-66
• 5.4.4 非线性规划问题及KKT条件66-68
• 5.4.5 最优控制问题与乘子等价映射68-70
• 5.5 仿真算例与分析70-72
• 5.6 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他研究成果80-82
• 致谢82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王悦;刘欢;王开强;张柏楠;;载人探测小行星的目标星选择[J];航天器工程;2012年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 郭铁丁;深空探测小推力轨迹优化的间接法与伪谱法研究[D];清华大学;2012年

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本文编号：658647