資源描述：
《月球探測器軌道設(shè)計新方法研究_朱仁璋.pdf》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第8卷第1期航天器工程8N28SPACECRAFTENGNEERNG1999年3月月球探測器軌道設(shè)計新方法研究朱仁璋俞南嘉(北京航空航天大學(xué),北京200083)李頤黎(中國空間技術(shù)研究院)摘要利用太陽引力攝動與月球繞,飛設(shè)計地月轉(zhuǎn)移軌道是月球探測器軌道設(shè)。,、,計的一種新方法與霍曼轉(zhuǎn)移相比這種新型軌道飛行時間較長(約三四個月)但,。顯著節(jié)省速度增量(可達1S)對月球探剛器工程具有誘人的實際應(yīng)用價值50m/對,、應(yīng)用引力捕獲設(shè)計地月轉(zhuǎn)移軌道新方法本文比較全面地論述了研究目標(biāo)研究內(nèi)容、研究方法與步驟,并從大量算例中給出若干典型軌跡予以輔
2、證。關(guān)鍵詞月球探側(cè)器,軌道設(shè)計,地月轉(zhuǎn)移軌道,引力捕獲,四體問題。1序言對月球火箭與月球探測器運動理論的研究在本世紀(jì)后半葉得到迅速發(fā)展,美國在1969年。發(fā)射的阿波羅n號登月艙實現(xiàn)了人類登月的愿望由于月球資源以及月球作為一個天然空間站,,“”在星際航行中的重要性目前國際上又掀起了月球探測的新高潮提出各種重返月球計。,,,。劃不久前有跡象表明在月球上存在冰水更增加了人們對月球的興趣將引力捕獲機制,引人地月轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計之中研究軌道設(shè)計新理論與新方法已成為航天動力學(xué)的一個熱`一4。點〔〕。引力捕獲是一個在天文學(xué)和航天領(lǐng)域中極受關(guān)注的現(xiàn)象引
3、力捕獲的優(yōu)勢在于軌道能量,。的獲得不需要航天器能源就能夠?qū)崿F(xiàn)即航天器的變軌可以不攜帶或少攜帶能源一些天文學(xué)家認(rèn)為引力捕獲現(xiàn)象能夠解釋小行星和彗星的運動,航天學(xué)家則將引力捕獲用于星際航行。,:任務(wù)的設(shè)計中在航天動力學(xué)中引力捕獲的概念一般是這樣的當(dāng)一個航天器從很遠處以雙曲線軌道進人某天體的引力影響球時,軌道能量將有變化,航天器將顯著偏離原來的運動軌跡,甚至?xí)簳r環(huán)繞這個天體運轉(zhuǎn)。在太陽系行星際飛行中,引力捕獲的應(yīng)用已廣為人知。近年來,航天學(xué)家又致力于在月球飛行使命中應(yīng)用引力捕獲方法。在過去幾十年中,對引力捕獲的研究主要集中在三體問題的永久
4、捕獲的可能性上,偏重于理論方面。然而,幾年來,情況發(fā)生了很大的變化,研究重點轉(zhuǎn)向?qū)⒁Σ东@應(yīng)用于月球探測器軌道的工程設(shè)計中。特別是,隨著日本,。HITEN飛行使命引力捕獲的偶然成功在國際航天界引起巨大的反響,,引力捕獲地月轉(zhuǎn)移軌道雖然增長了地月轉(zhuǎn)移飛行時間但可顯著減少航天器動力消耗增,。,加有效載荷的重量對無人月球探測器特別適合國際航天界普遍認(rèn)為引力捕獲機制在月球:1998一11一23收稿日期期1朱仁璋等月球探測器軌道設(shè)計新方法研究。探測器軌道設(shè)計中有實際應(yīng)用價值研究目標(biāo)與內(nèi)容月球探測器新方法的研究目標(biāo)是,探求應(yīng)用太陽引力攝動與月球
5、繞飛,以較少的速度增量(動力消耗)設(shè)計地月轉(zhuǎn)移軌道的規(guī)律與方法。:研究內(nèi)容包括下列各項(1)由簡到繁的各類動力學(xué)數(shù)學(xué)模型;(2)多種數(shù)學(xué)計算方法的研究、比較與選取;(3)太陽引力攝動與月球繞飛對飛行軌跡與速度增量需求的影響;(4)誤差分析與途中修正(控制)設(shè)計方法;(5)初始參數(shù)與發(fā)射窗口的選擇;(6)引力捕獲地月轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計研究;(7)考慮多種約束條件的引力捕獲地月轉(zhuǎn)移軌道工程設(shè)計方法;。(8)工程設(shè)計軟件制作研究的重點是,在探明引力捕獲機制的基礎(chǔ)上,將引力捕獲地月轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計形成一個系統(tǒng)的、有規(guī)律可循的、便捷的、工程化方法
6、。3研究方法與步驟一般采用的研究方法是,從限制性三體問題(地、月、探測器)和限制性四體問題(地、月、日、探測器)開始,向非共面的一般四體問題擴展,進而考慮其它攝動(如地月非牛頓引力攝動、、。.太陽光壓大氣阻力等)由于白道面與黃道面的夾角較小(5’〔)7’4741”),月球軌道的偏心率.不大(005488),因此,在限制性四體問題中討論引力捕獲是一個很好的近似。由限制性四體問題向一般四體問題的轉(zhuǎn)化應(yīng)考慮非共面性,月球軌道非圓性,以及發(fā)射時間的非唯一性。:這項研究可以分以下幾個步驟進行(1)分別應(yīng)用限制性三體問題與限制性四體問題研究月球
7、繞飛與太陽引力捕獲及其綜合影響;(2)在限制性四體問題的基礎(chǔ)上,將動力學(xué)模型修正為不共面的一般情況,但將地球、月球;與太陽考慮為質(zhì)點(3)考慮所有攝動因素(包括非牛頓引力場、地球大氣阻力、太陽輻射壓力等)建模,并作模擬計算;(,,4)進行引力捕獲地月轉(zhuǎn)移軌道誤差分析包括恩克方法與科維爾方法比較不同數(shù)值積,;分方法比較(階數(shù)定步長與變步長等);(5)研究引力捕獲軌道途中修正方法(6)地月轉(zhuǎn)移軌道經(jīng)典方法與引力捕獲方法比較;(7)根據(jù)月球探測器工程總體要求與約束條件,選擇與設(shè)計引力捕獲地月轉(zhuǎn)移軌道初值與。發(fā)射窗口jU航天器工程4參考坐標(biāo)
8、系與計算方法對一般四體問題,通常應(yīng)用地心黃道坐標(biāo)系與地心赤道坐標(biāo)系研究月球探測器的運動。若應(yīng)用限制性三體問題或限制性四體問題簡化模型進行研究,可以取地月旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系a。,X)藝為基本參考系原點O位于地月系統(tǒng)質(zhì)心;X軸為地月連線由原點O指
