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深空探测器的轨道设计与优化

马文臻  
【摘要】:随着科学技术的进步与航天活动的迅速发展,深空探测越来越受到人们的重视,其中轨道设计与优化技术是实现深空探测任务的关键技术之一。与近地卫星的轨道设计相比,深空探测器的轨道设计要复杂得多,对同一目标轨道可有多种转移轨道方案。本文重点对深空探测任务的轨道设计与优化问题进行了研究。 首先,论文研究了不带深空机动的多天体交会借力飞行轨道设计方法,基于圆锥曲线拼接法和最小能量要求,给出快速寻找转移轨道方案的P-Rp图解法;通过求解兰伯特问题绘制Pork-Chop能量等高线图,基于飞入借力天体的能量(目标C3)和飞出借力天体的能量(C3)匹配原则确定发射窗口,利用穷举式搜索法得到C3能量全局最小的多天体交会发射机会,设计日心转移轨道和地球逃逸轨道;同时为提高搜索发射窗口的效率,本文利用遗传算法进行优化,大大节省了计算时间,对大规模发射时间段的搜索效果将更加显著。 其次,以太阳高纬探测器的轨道设计为例,运用以上方法进行借力飞行轨道的设计和优化分析。利用P-Rp图解法设计可能的转移轨道方案,根据Pork-Chop图法分别求得各方案的最优发射机会,之后进行轨道优化。结果表明,若采用外行星借力,“地球-木星借力”方案可得到太阳极轨目标轨道,但发射能量高,飞行时间长;若采用内行星借力,有“地球-金星三次借力”、“地球-金星-火星-地球三次借力”两种轨道方案,均可得到太阳纬度30度左右的目标轨道,发射能量低,飞行时间短,但是只能观测太阳中纬的近日空间。 再次,以月球探测器的极轨轨道设计为例,采用微分修正法求解N体问题,基于STK进行精确引力模型下的轨道优化设计。按照二体模型平面分析法进行初步轨道设计,给出探测器的发射时刻、停泊轨道运行时间和逃逸脉冲等控制参数的初值,以月球B平面参数为目标约束,多次迭代计算得到优化的轨道。 最后,本文对到达太阳系八大行星的可能转移轨道方案分别进行了搜索,计算出大致的飞行时间,并在给定能量约束的情况下按照飞行时间最短选取最优轨道方案。同时为将来轨道设计工作的需要,本文初步建立了轨道资料库,把各种轨道方案按数据库方式存储起来,其内容随着后续工作逐步扩充和完善。


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