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深空探测中的轨道设计和轨道力学

赵玉晖  
【摘要】:深空探测相对于地球卫星而言,指探测器脱离地球引力范围,进入行星际空间甚至距离地球更远的空间对太阳系内或者太阳系以外的天体进行探测。我国目前将对地球以外天体开展的空间探测活动称为深空探测。有些国家和机构将对月球的探测排除在深空探测的定义之外。随着航天技术的发展和提高,深空探测的概念也会有不断的更新,但这不是实质性问题,不会影响本文对深空探测中轨道力学内容的阐述。 从二十世纪末尤其是二十一世纪以来,随着航天领域科技的进步和提高,对月球和太阳系其他大行星的探测越来越多的得到世界各国的关注。近几年,我国也加快了对月球的探测步伐。2007年10月24日,我国成功发射了第一个月球探测器——“嫦娥一号”月球探测器,实现了“精确变轨,成功绕月”的预定目标,获取到大量科学数据和全月球影像图,并成功实施“受控撞月”任务。“嫦娥一号”任务的圆满完成,是我国继人造地球卫星、载人航天飞行取得成功之后中国航天事业发展的又一座里程碑,标志着中国已经跨入具有深空探测能力的国家行列。2010年10月1日,我国又成功发射“嫦娥二号”月球探测器,获取了分辨率更高的全月球影像图和虹湾区域高清晰影像,并成功开展环绕拉格朗日12点等多项拓展性试验,为深空探测后续任务的实施奠定了基础。 针对我国探月工程制定的“绕、落、回”三步计划,嫦娥一号和二号探测器的成功发射和探测任务的圆满完成使得地月转移轨道和环月轨道的设计得到很好的应用。而针对返回型探测器所涉及到的包含地月转移、环月和月地转移三段轨道的完整轨道,并无涉及。文中结合嫦娥工程探月三期任务和载人探月任务,对返回型月球探测器的完整轨道进行设计,对轨道的动力学特征进行分析,结合设定任务要求对发射轨道窗口进行计算。研究结果具有一定的普遍性,为返回型月球探测器的轨道设计提供相应的依据。 与此同时,我国的自主火星探测计划也在进行当中。文中以此为背景,对地火转移轨道的轨道设计、轨道计算、发射窗口选择和中途轨道修正等进行了全方面的研究。对精确力模型下大推力转移轨道进行了相应的计算和动力学特征的分析,并给出了轨道中途修正的策略,为我国的火星探测任务转移轨道的选择和设计提供相应的依据。 作者所做工作中的轨道设计是在太阳系小天体运动(并考虑到探测器的特征)的轨道理论基础上进行的,并采用了完善而合理的力学模型,而不是一个单纯的运行轨道计算和优化问题.这样所获得的结果才会对在实际工程中应用具有一定的参考价值。 本文工作的创新点有如下几个: 1.基于太阳系小天体运动的轨道理论,对地月转移轨道的类型进行分析,为任务中采用大推力形式的转移轨道给出相应的理论依据。 2.对返回型月球探测任务尤其是载人登月任务中保证航天员安全返回的备用轨道—无动力返回轨道进行了分析,并给出真实力模型下的计算结果。 3.针对我国地面回收场的具体条件,对月地转移轨道再入角的变化特点进行了研究,对再入角和再入点纬度受到的限制进行相应的分析,并为返回型月球探测任务中采用升轨再入方式给出理论依据。 4.基于小天体运动方程的状态转移矩阵,对月球探测转移轨道的误差发散特点进行了分析,基于误差传递特点给出中途修正时问的时机选取依据,并基于误差传递矩阵给出了中途修正速度增量的计算公式。 5.基于IAU2000火星定向模型给出的火星岁差参数,给出了火星扁率项J,对火星卫星造成的坐标系附加摄动的分析解。 6.通过在真实力模型下对地火转移轨道的计算,研究地火转移轨道的动力学特点,结合轨道动力学给出相应的理论分析。 7.基于地火转移的状态转移矩阵对误差发散进行分析,分别基于误差传递特点和误差传递矩阵给出中途修正时机和速度增量计算公式。通过多种中途修正方法的计算和比较给出在保证一定精度前提下可以大量节省计算时间的中途修正策略。 8.研究工作中所进行的数值计算软件都是自行编写,可以对软件进行工程化,为具体工程中的应用服务。


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