航天器气动力辅助变轨方法研究

摘要

航天器进行轨道机动或转移往返于空间站与平台、卫星之间，它们的变轨可用冲量或连续推力方式，但是耗能比较大，而气动力辅助轨道转移可成为节省燃料的变轨方案。本文所研究的气动力辅助变轨方式由于有效的利用了航天器环绕星球上的大气这种自然资源，减少燃料消耗，从而使航天器获得了较大的有效载荷比。因此，研究气动力辅助变轨具有重要的意义。
　　本文分析了气动力辅助变轨飞行器的特点，研究了影响气动力变轨过程中的因素，确定了升阻比和滚转角作为主要的控制参数，燃料最省作为目标。首先，建立了大气层内运动学微分方程，并对方程进行了简化和无量纲化处理。
　　其次，在同面 HEO-LEO的气动辅助变轨过程中，根据大气边界条件和最优目标确定性能指标，通过引入哈密顿函数，利用庞特里压金极大值方法，对性能指标进行分析，设计出关于升阻比的控制律，代入轨道运动学方程中进行最优控制。分别对升力系数受约束和不受约束两种不同情况进行仿真，并改变转移轨道近地点高度进行仿真。
　　再次，在异面 HEO-LEO的气动辅助变轨过程中，分别以升阻比和滚转角控制参数，进行控制律设计，在大气飞行段对轨道倾角进行寻优，分别对不同的轨道倾角进行仿真分析。
　　最后，通过对同面辅助变轨和异面辅助变轨两种情况大量的仿真，分析了升力系数受约束和不受约对同面变轨的影响，同时分析转移轨道近地点高度对同面变轨的影响和轨道倾角的变化对异面变轨的影响，并与霍曼变轨进行对比，结果验证了本文算法的有效性和合理性。

目录

航天器气动力辅助变轨方法研究

RESEARCH ON AEROASSISTED ORBITAL TRANSFER OF SPACECRAFT

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 气动力辅助变轨发展

1.2.1 气动力辅助变轨过程及应用

1.2.2 最优大气辅助变轨研究的进展

1.3 稀薄气体动力学发展现状

1.4 有限推力变轨及其研究进展

1.5 轨道优化理论与最优控制的研究进展

1.6 论文的主要内容

第2章 基本理论与数学模型

2.1 常用坐标系及转换关系

2.2 大气模型

2.3 轨迹优化问题

2.3.1 轨迹优化问题的一般描述

2.3.2 常用的轨迹优化方法

2.4 气动辅助变轨的参数分析

2.4.1 升阻比对变轨性能的影响

2.4.2 弹道系数对变轨性能的影响

2.4.3 大气参数对变轨性能的影响

2.4.4 近地点高度对变轨性能的影响

2.4.5 最大升力系数对变轨性能的影响

2.5 本章小结

第3章 航天飞行器运动微分方程

3.1 运动学微分方程的建立

3.2 运动学微分方程的简化

3.3 运动微分方程的无量纲化

3.4 本章小结

第4章 同面HEO-LEO气动辅助变轨控制算法研究

4.1 同面辅助变轨问题

4.2 控制器设计

4.3 边界条件分析

4.4 同面变轨的控制结果和仿真验证

4.4.1 仿真平台建模

4.4.2 仿真结果及分析

4.5 本章小结

第5章 异面HEO-LEO气动辅助变轨控制算法研究

5.1 异面辅助变轨问题

5.2 控制器设计

5.3 边界条件分析

5.4 大气段倾角变化量最优问题

5.5 异面变轨的控制结果及仿真验证

5.5.1 仿真平台建模

5.5.2 仿真结果及分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

附录 大气密度

攻读学位期间发表的学术论文

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哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢