载人登月多段自由返回轨道及受摄交会问题研究
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作者李京阳
出版社清华大学出版社
ISBN9787302477983
出版时间2018-07
装帧平装
开本16开
定价89元
货号25325981
上书时间2024-11-20
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商品详情
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前言
导师序言载人登月是人类文明演化至今为尖端的科技工程之一，它展现的是一个国家强大的科技、政治、军事以及经济实力，彰显的是国家和民族对未知世界探索的强烈渴望。21世纪初叶，美国Constellation计划、欧洲Aurora计划以及中国探月工程计划的相继提出，彻底拉开了人类重返外太空的序幕，载人登月也被赋予了全新的含义和使命。探测内容的多样化，轨道设计的复杂精细化，宇航员安全保障的突出化，进一步加大了载人登月工程任务设计的复杂度与难度。本文应时代背景，尝试解决工程任务设计中所遇到的轨道动力学问题，研究了精细模型下月球附近交会对接和全月面覆盖变轨策略，提出了全程可自由返回的载人多段自由返回轨道，并确定了地月转移新型轨道设计方案。在地月转移新型轨道设计研究中，本文针对地球高纬度再入提出基于拱线偏置的返回轨道设计方案，确定了影响再入点方位和再入航程的主要设计参数；改进了圆锥曲线拼接模型下影响球处轨迹状态求解算法，合理避开影响球处初值猜测，减少了数值修正，提高了计算效率。在多段自由返回轨道研究中，本文强调轨道设计的灵活度和故障返回的可行度。经典自由返回轨道设计难度大、发射窗口窄，无法有效保证光照和测控条件的满足；Hybrid轨道虽设计灵活、窗口较宽，但牺牲了安全属性；多段自由返回轨道的设计有兼收并蓄的特点，轨道设计不仅灵活且满足无动力故障返回的要求。本文在圆锥曲线拼接模型下完成多段轨道定义，在次高精度伪状态模型下，完成轨道解析建模与特性分析。数值计算表明，伪状态模型误差仅为圆锥曲线拼接模型误差的10%。在月球附近交会对接控制策略研究中，本文强调规划算法的精确性与时效性。提出三步迭代法，完成控制策略由CW模型、二体模型到高精度模型的演化，并比对遗传算法，证明了三步迭代法的性。引入J2摄动模型，完成局部控制策略的解析构建，显著减小了因CW模型不精确带来的法向变轨误差，并有效避免了因多步迭代带来的时间损耗。数值计算表明，交会终端位置误差仅为CW模型的误差的1%；脉冲近似解可有效转变为有限推力解。在全月面覆盖控制策略研究中，本文关注规划算法的合理性与故障返回的可行性，提出了基于多段自由返回轨道的多脉冲控制策略。数值仿真表明，全月面覆盖所需总脉冲消耗小于2.6km/s，多段中途转移脉冲消耗小于0.4km/s。
宝音贺西〖〗清华大学航天航空学院〖〗2017年9月于清华园
导语摘要
21世纪初，美、欧、中相继提出空间探测计划，载人登月被赋予了全新的含义和使命。本书应时代背景，尝试解决工程任务设计中所遇到的轨道动力学问题，研究了精细模型下月球附近交会对接和全月面覆盖变轨策略，提出了全程可自由返回的载人多段自由返回轨道，并确定了地月转移新型轨道设计方案。本文可作为力学、数学、航空航天等方向的教学、科研及工程技术人员的参考用书。
商品简介
21世纪初，美、欧、中相继提出空间探测计划，载人登月被赋予了全新的含义和使命。本书应时代背景，尝试解决工程任务设计中所遇到的轨道动力学问题，研究了精细模型下月球附近交会对接和全月面覆盖变轨策略，提出了全程可自由返回的载人多段自由返回轨道，并确定了地月转移新型轨道设计方案。 本文可作为力学、数学、航空航天等方向的教学、科研及工程技术人员的参考用书。
目录目录
第1章绪论
1.1研究背景与意义
1.2研究现状综述
1.2.1载人登月轨道研究
1.2.2地月间转移轨道研究
1.2.3地球和月球附近交会对接
1.2.4全月面覆盖
1.3本文的工作和创新点
1.3.1本文的工作
1.3.2主要创新点
第2章月球探测器转移轨道和发射窗口特性
2.1引言
2.2地月引力空间转移轨道解析模型
2.2.1地月引力场模型
2.2.2地月转移轨道设计
2.2.3月地转移轨道设计
2.3地月间发射窗口
2.3.1地球出发窗口
2.3.2月面上升窗口
2.3.3月球返回窗口
2.4高精度模型修正
2.5本章小结
第3章载人登月多段自由返回轨道
3.1引言
3.2多段自由返回轨道
3.2.1轨道定义
3.2.2多段自由返回轨道构建
3.2.3中途转移脉冲
3.3多段自由返回轨道特性分析
3.3.1轨道特性
3.3.2发射窗口
3.4高精度模型修正
3.5本章小结
第4章基于伪状态理论高精度多段自由返回轨道
4.1引言
4.2伪状态理论
4.3伪状态模型下多段自由返回轨道设计
4.3.1奔月段自由返回轨道
4.3.2QuasiLambert问题
4.3.3绕月段自由返回轨道
4.3.4初值修正
4.4绕月段与月球返回段轨道特性
4.5高精度模型下数值评估
4.6本章小结
第5章月球着陆器自主交会对接变轨策略规划
5.1引言
5.2交会对接线性化模型
5.2.1相对运动状态转移矩阵
5.2.2初始与末端条件
5.2.3交会对接方程组
5.3多模型迭代
5.4数值仿真
5.5本章小结
第6章考虑J2摄动月球附近交会对接局部控制
6.1引言
6.2受摄相对运动状态转移矩阵
6.3交会对接变轨策略优化
6.3.1目标函数与约束
6.3.2解析梯度推导
6.3.3目标函数与过程以及终端约束梯度
6.4数值仿真算例
6.4.1简化的GimAlfriend状态转移矩阵精度
6.4.2交会对接过程优化算例
6.4.3有限推力模型下变轨策略
6.4.4交会对接轨迹分析
6.5本章小结
第7章全月面覆盖变轨策略
7.1引言
7.2多段自由返回轨道
7.2.1限制性三体模型
7.2.2轨道一般特性
7.3全月面覆盖变轨策略规划
7.3.1二体模型下变轨策略规划
7.3.2高精度模型下修正
7.4数值仿真算例
7.5本章小结
第8章结论
8.1研究总结
8.2展望
参考文献附录ATrustRegion Dogleg算法附录B简化的GimAlfriend状态转移矩阵
内容摘要
21世纪初，美、欧、中相继提出空间探测计划，载人登月被赋予了全新的含义和使命。本书应时代背景，尝试解决工程任务设计中所遇到的轨道动力学问题，研究了精细模型下月球附近交会对接和全月面覆盖变轨策略，提出了全程可自由返回的载人多段自由返回轨道，并确定了地月转移新型轨道设计方案。
本文可作为力学、数学、航空航天等方向的教学、科研及工程技术人员的参考用书。
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精彩内容
第1章 绪论载人登月多段自由返回轨道及受摄交会问题研究第1章绪论〖1〗1.1研究背景与意义“青天有月来几时？我今停杯一问之。人攀明月不可得，月行却与人相随。”停杯沉思，仰望苍穹。明月亘古如斯，何时有？明月若影随行，何以去？“日月安属？列星安陈？”自然的法则，宇宙的玄妙，驱使着人类去探索，去构建未知的文明。历史的车轮滚滚而来，时间聚焦在1969年7月16日。美国佛罗里达州肯尼迪航天中心，土星5号（Saturn Ⅴ）运载火箭，承载着三位航天先驱，承载着人类几千年的梦想，徐徐升空。突破地球的禁锢，突破技术的枷锁，远征月球，开疆辟土。1969年7月20日，他们不负使命，用长靴在月球激起尘土，用画面将时空永久定格，首次实现地外天体登陆。这项被命名为阿波罗（Apollo）11的载人登月计划，也注定了永载史册。随后的1969年11月到1972年12月，美国相继发射了Apollo 12~17号登月飞船\[15\]，共计12名宇航员登陆月球。Apollo工程带来的技术革新无与伦比：管理工程学、燃料电池、大规模集成电路、微型集成芯片和微型计算机的相继问世，搭建成人类文明进步的阶梯，推动了人类文明进程的演化\[6\]。Apollo工程揭开了人类探索外太空的序幕。同一时期，苏联也启动了代号为N1L3的载人登月计划。该计划以超重型运载火箭N1为载体，完成飞船的无人绕月、载人绕月以及载人登月飞行任务，但因N1火箭的屡次发射失败而宣布告终\[7\]。Apollo工程的辉煌也未能延续，国际政治形势的转变和太空探索的巨额开支，遏制了Apollo工程的延续。人类在随后的几十年，再未远征甚至未能穿越地球的邻近地带，但梦想并未终结。时间来到1987年7月20日，在纪念Apollo首次登月20周年纪念日上，美国总统布什宣布了2019年登陆火星计划，并于同年，由美国航空航天局（NASA）发布了著名的《90天报告》（90Day Report）。该计划拟在国际空间站建造1000吨级核动力飞船，经地球近地轨道出发，飞向火星。宇航员在火星表面经停两周后，借助金星引力甩摆，快速返回地球，但高达4500亿美元巨额经费预算，迅速遭到国会否决，迫使该项目下马。20世纪90年代世界迎来了第二波探月高潮，美国、欧洲、日本、中国和印度均先后参与其中，并发射了系列月球探测器。2004年1月，美国总统小布什提出“太空探索远景”（Vision for Space Exploration）计划，明确了载人登月、载人登火、建造月球基地和开发太阳系内行星等探索任务\[811\]，并于2005年公布了重返月球的“星座”（Constellation）计划\[1214\]，彻底拉开了人类重返外太空的序幕。欧洲航天局（ESA）、俄罗斯的能源火箭与航天公司（RKK Energia）、日本的三菱重工业有限公司（Mitsubishi Heavy Industries）、欧洲航空防务及航天公司（EADS Astrium）、印度、伊朗和美国的太空探索技术公司（Space Exploration Technologies）等也纷纷推出相关的或更远的太空探测计划\[15，16\]。虽在2010年美国取消了重返月球的计划\[17，18\]，但其他国家仍然以月球为探测目标，并取得一系列进展。如2009年，日本公布其“月亮女神”（Kaguya）号月球探测器发现了月球上首个熔岩管；2011年，印度发表了其“月船”（Chandrayaan）1号月球探测器发现的500米长百米宽的完整熔岩管段，这些都可为月球基地的建设提供天然的保障；加上持续增加的探测证据显示月球上存在大量冰水，使重返月球变得更具吸引力。我国于20世纪90年代初，进行了探月计划必要性及可行性研究，先后制定并完成了探月卫星的技术研究方案和卫星关键技术研究。经过10年酝酿，于2004年正式提出代号为“嫦娥工程”的探月计划。嫦娥工程分为“无人月球探测”、“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。我国目前正在实施的为无人月球探测，并制定了“绕”、“落”和“回”三步走战略\[1922\]：步，利用我国现有技术和条件，向月球发射月球探测卫星。月球探测卫星将实现绕月飞行，对月球进行遥感探测，除了探明月球所蕴藏的能源和资源外，还将查明月球表面的环境、地貌、地质构造与物理场，争取对月球的形貌特征、资源性元素分布规律及开发利用前景有一个初步认识；第二步，实现月球探测器月面软着陆。对着陆区地形地貌进行自动巡视勘探，测定着陆点热流与周围环境，探测着陆区岩石与矿物成分；第三步，进行目标的巡视勘探与采样返回。月球车登陆月球，在月面有代表性的区域进行采样，并将采集土壤及岩石样品送上返回器，返回器经点火返回地球。在地面对样品进行进一步分析，深化对月球起源和演化的认识。截至目前，我国已先后成功发射嫦娥一号、二号、三号月球探测器和嫦娥五号T1试验器，完成了对月球停泊轨道的环绕与月面三维影像的获取。突破了地外天体软着陆与航天器再入返回关键技术。为下一步载人登月探测和月球基地建立奠定了良好的基础。载人登月是大国地位象征，是一个国家综合国力的体现。载人登月工程的实施，将极大地促进通信、遥测、材料、计算机、自动控制、系统工程与生命保障等诸多技术的发展，提升我国的科技创新能力。促进高技术的产业化，带动信息技术、微机电技术、新能源、新材料和新工艺技术的发展，使我国牢牢掌握核心技术发展的主导权，全面带动我国经济、社会和文化的发展，为国民经济的发展、社会的进步和大国的崛起注入强劲的动力。1.2研究现状综述载人登月任务研究始于20世纪50年代，伴随着Apollo计划的提出，研究进入空前热潮。飞船的运动控制、轨道设计、空间交会对接、系统动力学环境分析、燃料等问题成为当时航天动力学研究的热点，并产生诸多经典著作\[23，24\]。2004年美国提出重返月球的“星座”计划，再次点燃了世界范围内月球探测的高潮。“星座”计划首次提出全月面到达与任意时刻安全返回概念。引起学术界极大关注，诸多文献对这一问题进行了深入的分析与讨论。本节将分别从载人登月轨道、地月转移轨道、空间交会对接以及全月面到达这四个方向介绍当前研究进展与现状。1.2.1载人登月轨道研究载人登月任务基本采用一次或多次发射（地球停泊轨道组装）、奔月点火、月球环绕、落月、上升、月球附近交会对接、飞船返回与再入的方案。载人登月飞船系统包括轨道器、着陆器、上升器和返回器。其中，轨道器主要承担地月之间的往返运输任务，包括携带其余三个探月飞行器完成地月转移、中途修正和近月制动；进入环月轨道后，轨道器与着陆器和上升器分离，携带返回器留轨；与从月面返回的上升器交会对接，上升器中宇航员转移至返回器后与之分离；携带返回器进入月地转移轨道；在地球附近与返回器分离，并保证其再入初始条件。着陆器的任务是将上升器从环月轨道软着陆至月球表面，完成宇航员月面出舱与采集任务。上升器的任务是携宇航员及采样从月面起飞，进入环月轨道后与轨道器、返回器组合体交会对接，并将样品转移至返回器，之后与组合体分离，不进入月地转移轨道。返回器载宇航员完成地球大气返回再入与安全着陆。Apollo登月计划所采用的奔月轨道可分为两类：自由返回轨道和混合（Hybrid）轨道。首次Apollo任务采用的是自由返回轨道，该轨道从近200km高的地球停泊轨道出发，飞行一段时间抵达月球，近月高度在100km左右，可执行近月制动与着月，在不施加任何控制情况下可安全返回地球并着陆\[2527\]。但鉴于自由返回轨道约束过强，设计难度较大\[28，29\]，导致发射机会较少，并且不能很好地满足测控、光照等工程约束，因此Apollo 11之后采用Hybrid轨道\[25\]。这种轨道由自由返回段与非自由返回段拼接而成。经地球停泊轨道奔月点火，飞船首先进入一条自由返回轨道；飞行大约一天后，飞船再次点火实施中途轨道转移修正，进入另一条非自由返回轨道，这段轨道近月距设计为100km左右，适合近月制动与着月。如飞船在此期间发生故障，在不执行操作的情况下，并不能自由返回地球与着陆。Apollo计划开始时三次任务均采用自由返回轨道，之后便采用Hybrid轨道，但因包含非自由返回段，促使飞船安全性降低，Apollo 13发生事故之后，轨道设计又转向自由返回轨道\[3032\]。Hybrid轨道相比自由返回轨道，虽具有更宽的发射窗口和着月范围，对飞行时间和燃料消耗的控制也更为灵活，并有效地促使了轨道设计难度降低，但因包含非自由返回段，飞船因故无法执行近月制动情况下，无法实施自由返回而未被后续任务采用。轨道设计的精确度与复杂度依赖于对系统动力学模型的表述。恰当的模型描述不仅可减小轨道设计的难度和提高初值算法的精度，更可对轨道特性进行精细化分析，为方案制定和任务实施提供可行性参考。针对地月引力空间系统的描述主要集中在限制性三体模型和圆锥曲线拼接模型（或称双二体模型）\[33\]之间。限制性三体模型为数值计算模型，精确度较高，但轨道演化依赖数值积分，轨道设计不存在解析解，设计初值需由低精度模型给出\[34\]。圆锥曲线拼接模型为半解析模型，在地月中心天体影响球内，轨道设计完全解析，但因月球影响球处轨迹拼接的存在，破坏了轨道设计的全解析特性，引起额外的数值运算。圆锥曲线拼接模型由Egorov于1956年首先提出\[35\]，虽模型精度低于限制性三体模型，但其半解析、轨道设计简洁直观的特性，促使其成功应用于地月空间的转移轨道设计中\[36，37\]。该模型下转移轨道由地心段与月心段圆锥曲线拼接而成，因此对各自轨道特性的分析也完全解析。半个世纪以来，大量的任务分析与轨道设计任务均基于上述模型展开\[3846\]。基于限制性三体模型，Miele\[47\]发现了自由返回轨道的对称特性，并建立了出发与返回轨道的对称数学模型与镜像轨道设计的解析模型；Baoyin\[48\]研究了地月系统Langrage点附近和主要星体表面转移轨道特性与其存在类型，该类轨道可适用于星体的采样返回与载人探测任务\[49\]；Schwaniger\[50\]构建了载人登月自由返回轨道设计模型，并依据绕月方式的不同，对轨道特性进行了分类的研究与比对；Jesick和Ocampo\[51\]基于自由返回轨道对称特性，开发了自由返回轨道设计算法，并针对燃料消耗与飞行时间等特性进行了大量的分析，所得结论具备了较高的参考价值。圆锥曲线拼接模型因其较好的解析特性与直观设计方法，同样受到诸多科研工作者的青睐（Egorov\[35\]，Tolson\[36\]，Ikawa\[44\]和Lancaster\[52\]等）。基于圆锥曲线拼接模型，Penzo\[53\]研究了自由返回轨道设计方法，分析了飞行时间、近月点高度、出发和返回段轨道倾角与月球影响球入口和出口点处速度矢量关系；Dallas\[54\]讨论了圆锥曲线拼接下自由返回轨道特性，针对飞行时间、燃料消耗与轨道设计难易等诸多特性，总结出逆向轨道要优于正向轨道；Gibson\[55\]结合圆锥曲线拼接模型与高精度模型完成自由返回轨道模型构建，并对比了不同模型下轨道特性，研究表明圆锥曲线拼接模型可以很好地近似高精度模型，基于圆锥曲线拼接模型可对轨道各项特性做出有效的分析与评估。限制性三体模型虽精度较佳，但轨道设计依赖数值积分。圆锥曲线拼接模型虽轨道部分解析，但影响球处中心天体引力的依次忽略，造成拼接处较大的位置和速度误差，引起模型精度的持续降低。Wilson于1970年提出另外一种近似地月引力空间的简化动力学模型：Pseudostate（伪状态）模型\[56\]。该模型兼备了圆锥曲线拼接模型的解析性与限制性三体模型的精确性，模型误差仅为圆锥曲线拼接模型误差的20%。近年来国内外许多轨道设计研究工作均基于伪状态模型展开\[5760\]。文献所阐述的轨道设计基本思路为： ①给定一个初始状态，在只考虑地球引力情况下，将轨道推进到目标时刻（靠近月球附近）； ②进行状态变换，将目标时刻航天器状态由相对地球状态变换为相对月球的状态； ③在保持速度不变的情况下，沿直线逆向推进到伪状态切换球(PTS)； ④在只考虑月球引力情况下，将轨道正向推进到近月时刻。由此构建出轨道状态间演化的全解析动力学模型。国内载人登月轨道设计任务研究兴起于20世纪90年代初。黄诚和胡小工等\[61\]研究了满足动力学与运动学约束的轨道设计方法，并完成较高精度模型下的轨道设计。白玉铸和陈小前等\[62,63\]分析了圆锥曲线拼接模型下地月、月地和自由返回轨道设计方法，并简要分析了Hybrid轨道特性。黄文德、郗晓宁和张祖鹤等\[6467\]对载人登月的发射窗口进行了分析设计，并在圆锥曲线拼接模型下通过参数寻优设计了满足约束条件的自由返回轨道与任务中止轨道\[68\]。1.2.2地月间转移轨道研究月球探测与载人登月不同，不要求飞船具备自由返回能力\[6972\]。如我国已进行的探月工程一期与二期，其主要目的在于发射月球探测器，完成对月球的科学考察。月球探测器或环绕月球周期运动或脱离月球飞向更远小行星。因此奔月轨道设计亦不同于载人登月轨道，不需具备经月球甩摆后返回地球的特性。本书中将此类奔月轨道统称为地月转移轨道。20世纪中叶，Gibson\[55\]，Berry\[23\]以及NASA研究人员\[26,36,39,50,7375\]已经对这类轨道进行了广泛而深入的研究。Gibson采用并验证了圆锥曲线拼接模型在地月转移轨道设计中的精确度。Miele和Mancuso\[34\]系统地给出了限制性三体模型下地月转移轨道设计方法。Kluever和Pierson\[76\]研究了电推力情况下地月转移轨道燃料问题\[34\]。载人登月以及月球采样任务均涉及飞船的安全返回。如Apollo计划与我国的探月三期任务。轨道舱完成与登月舱交会对接以及分离后，伺机点火进入月地返回
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