探月飞船返回跳跃式再入轨迹规划与制导研究

摘要

月球探测器返回舱以接近第二宇宙速度再入大气层,再入速度较高,会面临气动过载和热流密度大等问题。我国探月三期月球采样返回任务以及美国新一代猎户座乘员探测飞行器(CEV)等现代月球探测任务均采用跳跃式再入轨道,以提高航程调整能力,减少再入过载和热流密度。因此,本文以上述跳跃式返回任务为背景,开展跳跃式再入动力学建模与仿真、轨迹优化以及制导律设计等相关问题研究,取得了如下研究成果。
　　针对探月飞船返回再入问题,在低升阻比飞船再入动力学模型及其无量纲化模型基础上,开发了跳跃式轨迹再入动力学与制导数学仿真程序。在不同的再入角、再入速度、倾侧角等初始再入参数和控制量条件下进行了大量的仿真研究,分析了上述各参数对于飞行轨迹及再入性能的影响程度,为跳跃式再入初始条件的选取及轨迹优化等问题提供了参考。
　　根据跳跃式再入约束条件复杂、初值选取困难的特点,跳跃式再入轨迹优化采用了基于高斯伪谱法的、“由可行解到最优解”的串行优化策略。针对不同的场景,以不同的优化目标对再入轨迹进行了优化仿真,给出了具有一定工程参考价值的优化轨迹。
　　为解决跳跃式再入航程较大、开普勒飞行段无法施控等问题,提出了基于数值预测校正(Numerical Predictor-Corrector,NPC)的再入制导算法。该方法采用数值积分对再入动力学方程进行运算求解,通过改变控制量实现对预测落点与标称落点偏差的校正,具备在线轨迹规划能力,能够满足跳跃式再入制导精度需求。对不同再入初始条件进行数学仿真以验证本文所提出的制导方法的可行性和鲁棒性。

目录

探月飞船返回跳跃式再入轨迹规划与制导研究

SKIP REENTY TRAJECTORY PLANNING AND GUIDANCE FOR LUNAR-RETURN VEHICLE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景、目的与意义

1.2 相关领域国内外研究现状

1.2.1 国外主要探月活动和计划

1.2.2 我国的探月计划

1.2.3 跳跃式再入策略的发展

1.2.4 相关技术理论研究现状

1.3 本文完成的主要工作

第2章 探月飞船返回再入基础理论

2.1 引言

2.2 坐标系的定义

2.2.1 地心惯性坐标系

2.2.2 地心固连坐标系

2.2.3 飞船位置坐标系

2.2.4 飞船体坐标系

2.2.5 速度坐标系

2.2.6 弹道坐标系

2.3 完整模型的建立

2.3.1 建模假设

2.3.2 配平攻角特性

2.3.3 再入动力学方程的推导

2.4 相关参数计算

2.5 本章小结

第3章 探月飞船返回跳跃式再入运动特性仿真分析

3.1 引言

3.2 无量纲模型

3.3 仿真总体参数设定

3.4 探月返回再入与近地轨道飞行返回再入的比较

3.4.1 能量比较

3.4.2 仿真初始参数

3.4.3 仿真结果

3.5 再入参数、升阻比及倾侧角变化对再入运动特性的影响

3.5.1 再入角对再入运动特性的影响

3.5.2 再入速度对再入运动特性的影响

3.5.3 飞船升阻比对再入运动特性的影响

3.5.4 倾侧角对再入纵程和横程的影响

3.6 本章小结

第4章 基于高斯伪谱法的跳跃式再入轨迹优化

4.1 引言

4.2 高斯伪谱法

4.2.1 基本原理

4.2.2 数值近似方法

4.2.3 Gauss伪谱法用于最优控制问题

4.3 探月返回跳跃式再入轨迹优化问题

4.3.1 过程约束条件

4.3.2 终端约束

4.3.3 目标函数

4.4 轨迹优化策略

4.5 轨迹优化仿真

4.6 本章小结

第5章 基于数值预测校正法的跳跃式再入轨迹规划与制导方法

5.1 引言

5.2 轨迹规划问题

5.3 基于NPC方法的末段制导

5.3.1 基本思想

5.3.2 纵向制导

5.3.3 横向制导

5.4 跳跃式再入制导中的特殊问题研究

5.4.1 横向偏差校正

5.4.2 跳跃式再入制导阶段切换逻辑

5.5 制导算法性能分析

5.5.1 典型跳跃式再入制导性能

5.5.2 非典型跳跃式再入时制导方法性能分析

5.5.3 单项初始误差条件下制导方法性能分析

5.5.4 多项不确定扰动条件下制导方法性能分析

5.6 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢