火星探測器飛行軌道設(shè)計(jì)

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1、第27卷第5期飛行力學(xué)Vol.27No.52009年10月FLIGHTDYNAMICSOct.2009火星探測器飛行軌道設(shè)計(jì)尹大偉,文援蘭,劉峰,廖瑛(國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院,湖南長沙410073)摘要:在一些基本假設(shè)的基礎(chǔ)上,初步設(shè)計(jì)了從地球停泊軌道發(fā)射探測器到達(dá)火星的飛行軌道。運(yùn)用圓錐曲線拼接法,設(shè)計(jì)了采用雙共切和單共切兩種不同的日心段轉(zhuǎn)移方式時(shí),探測器日心段、地心段和火星中心段的飛行軌道,并分析比較了這兩種設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)。根據(jù)限制性二體問題動(dòng)力學(xué)模型,仿真計(jì)算了探測器在不同軌道段的飛行軌跡

2、,結(jié)果表明,探測器可以按照所設(shè)計(jì)的軌道飛行到達(dá)火星,并被其捕獲,成為環(huán)繞火星飛行的衛(wèi)星。關(guān)鍵詞:軌道設(shè)計(jì);火星探測器;軌道拼接法;霍曼(Hohmann)轉(zhuǎn)移中圖分類號(hào):V412142文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100220853(2009)0520040204引言力體的作用,因此使用限制性二體模型和受攝二體模型求解飛行軌道?；鹦鞘蔷嚯x地球最近的外行星,對火星的探測和開發(fā)具有十分重要的意義?；鹦翘綔y是近年來航2坐標(biāo)系定義天活動(dòng)的熱點(diǎn)之一,美、俄等曾多次發(fā)射探測器對火研究探測器的運(yùn)動(dòng),首先需要定義參考坐標(biāo)系。星

3、進(jìn)行探測活動(dòng),取得了豐碩的成果。我國已經(jīng)成根據(jù)火星探測器飛行軌道特點(diǎn),定義三個(gè)坐標(biāo)系:日功發(fā)射了“嫦娥一號(hào)”繞月探測器,具備了一定的深心黃道慣性系、地心黃道慣性系和火星中心黃道慣空探測能力。研究火星探測軌道與近地航天器有很性系。以日心黃道慣性系為例,坐標(biāo)系定義如下:坐大差異,出現(xiàn)了許多新的問題,例如:力學(xué)模型的選標(biāo)原點(diǎn)為太陽質(zhì)心,x軸指向J200010平春分點(diǎn),y擇,軌道的設(shè)計(jì)方法,發(fā)射窗口的選擇,導(dǎo)航及制導(dǎo)軸在黃道面內(nèi)沿逆時(shí)針方向垂直于x軸,z軸垂直于[1]等。本文進(jìn)行了初步的軌道設(shè)計(jì)研究,設(shè)計(jì)出了黃

4、道面,指向與x軸和y軸成右手定則關(guān)系。地心從地球發(fā)射飛往火星并繞火星飛行的探測器飛行慣性系和火星中心慣性系坐標(biāo)原點(diǎn)分別定義在地球軌道。質(zhì)心和火星質(zhì)心,坐標(biāo)軸指向定義與日心黃道慣性系平行。1基本假設(shè)在研究火星探測器飛行軌道過程中進(jìn)行如下3地球、火星軌道要素的計(jì)算[2]假設(shè):進(jìn)行火星探測器的飛行軌道設(shè)計(jì)前,首先需要(1)忽略火星繞日軌道與黃道面的傾角,假設(shè)地球和火星繞日的精確軌道參數(shù)。本文利用JPL星探測器在黃道面內(nèi)完成所有飛行段的軌道轉(zhuǎn)移[2];歷計(jì)算程序得到2008～2017年的行星位置數(shù)據(jù),(2)由于

5、星際航行消耗的燃料有限,飛行時(shí)間計(jì)算步長設(shè)為4h,使用最小二乘法擬合出日心慣性長,為縮短飛行時(shí)間,目前多采用大推力火箭發(fā)動(dòng)坐標(biāo)系下地球和火星位置坐標(biāo)隨時(shí)間t變化的規(guī)機(jī),本文假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)按沖量模式工作;律,采用6階擬合,位置對時(shí)間求導(dǎo)即可得到速度。(3)探測器在飛往火星過程中,按照影響球理由JPL星歷得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)太多,本文將地火10論,假設(shè)每一時(shí)刻只受對其運(yùn)動(dòng)影響最大的中心引年的星歷數(shù)據(jù)每21個(gè)記錄分為一組進(jìn)行分段擬合,收稿日期:2009201204;修訂日期:2009202225基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)

6、基金資助(10573041);國家“863”計(jì)劃資助(2007AA12Z308)作者簡介:尹大偉(19812),男,山東威海人,博士研究生,研究方向?yàn)轱w行器系統(tǒng)建模仿真、自主導(dǎo)航;文援蘭(19652),男,湖南醴陵人,副教授,博士,研究方向?yàn)楹教炱鬈壍来_定、航天器控制與仿真。第5期尹大偉等.火星探測器飛行軌道設(shè)計(jì)41擬合后取中間第11個(gè)點(diǎn)作為后續(xù)計(jì)算的計(jì)算點(diǎn)。到達(dá)火星影響球時(shí)探測器的日心速度為:由擬合出的位置、速度可以求出地球和火星的軌道μμVT=2×-(5)要素。由于地球和火星的軌道根數(shù)是隨時(shí)間變化R

7、t-Ryt2as的,需計(jì)算出地球和火星的平均軌道根數(shù),本文采用根據(jù)橢圓軌道性質(zhì)可計(jì)算出日心軌道段其他軌迭代方法確定平均軌道根數(shù)。道要素。412日心段單共切軌道設(shè)計(jì)4探測器飛行軌道設(shè)計(jì)當(dāng)日心段采用單共切轉(zhuǎn)移軌道時(shí),設(shè)轉(zhuǎn)移角度根據(jù)基本假設(shè),按照探測器不同的飛行階段,使為fT。軌道設(shè)計(jì)時(shí),探測器飛出地球影響球方式與[3]用圓錐曲線拼接法和影響球概念,在精確確定地雙共切時(shí)相同。飛入火星影響球時(shí),沿火星中心和球、火星軌道參數(shù)的基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)地心段、日心日心連心線與火星影響球下的交點(diǎn)以速度傾角ΘT段和火星中心段飛

8、行軌道。首先選擇日心段軌道轉(zhuǎn)方向進(jìn)入,則探測器初始矢徑大小為R?+Rye,終止移方式,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的能力,日心轉(zhuǎn)移軌道選擇為橢位置矢徑大小為Rt-Ryt,則有軌道方程:圓軌道,本文設(shè)計(jì)雙共切和單共切兩種日心段轉(zhuǎn)移PsR?+Rye=軌道。根據(jù)兩種日心段軌道設(shè)計(jì)值,計(jì)算相應(yīng)的地1+escos0(6)球中心段和火星中心段飛行軌道。地心段飛行軌道PsRt-Ryt=設(shè)計(jì)為圓形近地停泊軌道和雙曲線轉(zhuǎn)移軌道,火星1+escosfT中心段飛行軌道為雙曲線轉(zhuǎn)移