废弃卫星返回的燃料质量—时间优化研究

摘要

空间碎片以及废弃卫星对在轨运行的航天器是一个不容忽视的重大安全隐患,因此需要采取一定的措施使空间碎片或废弃卫星脱离原轨道而进入大气层烧毁掉,即卫星返回离轨。返回离轨的方式有多种,但目前应用最为成熟的是采用喷气变轨的方法进行返回离轨。我国对这方面的研究还很少,从航天事业的发展来看,开展这方面的研究工作是十分必要的。
　　本文对采用喷气变轨方式进行离轨的方法进行了研究。
　　在该离轨方式中,我们最关心的是卫星返回所用的时间和燃料都应该尽量的少,因此本文采用优化理论对二者进行优化。具体工作如下:1.离轨返回优化问题数学模型的建立。围绕平面情况下飞行器最佳变轨路径这一主题,对力学模型进行了简化,建立了飞行器运动微分方程,并加以无量纲化处理。结合优化理论,给出了优化形式的数学描述模型。分析了模型取极值的各种条件。2.应用极大值原理和最优控制原理对燃料质量和时间进行双目标优化。对离轨返回问题的极值条件、边界条件进行了分析,并且针对未定时间和固定时间两种情况进行了仿真,求得了攻角的最优曲线以及返回时的最佳开关机时刻、飞行轨迹等。研究了不同推力情况下,返回所需燃料与时间的关系。3.研究了推力固定、运行时间固定情况下,飞行器近地点减少的最大值问题。用一阶梯度法进行初步仿真计算,在此基础上用直接打靶法进行更高精度的仿真,验证了时间代价方法的可行性。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 变轨所需速度变化量的要求

1.2.2 返回时大气阻力的影响

1.2.3 优化理论方面的研究

1.3 论文的主要研究内容

第2章 飞行器轨道动力学及优化理论基础

2.1 环境简化

2.2 运动方程的无量纲化

2.3 优化模型的数学描述

2.4 优化分析

2.4.1 驻点条件分析

2.4.2 固定时间问题

2.4.3 未定时间问题

2.5 小结

第3章 燃料和时间的优化分析

3.1 前言

3.2 极值条件分析

3.3 边界条件分析

3.3.1 终端条件分析

3.3.2 初始条件分析

3.4 间接打靶法解两点边值问题

3.4.1 初值猜测

3.4.2 解两边值问题的间接打靶法

3.4.3 计算步骤

3.5 仿真算例及分析

3.5.1 未定时间的仿真

3.5.2 固定时间的仿真与分析

3.6 小结

第4章 固定燃料的近地点下降最速问题

4.1 前言

4.2 条件分析

4.3 一阶梯度法的仿真分析

4.3.1 一阶梯度法

4.3.2 仿真分析

4.4 直接打靶法的仿真分析

4.4.1 直接打靶法

4.4.2 仿真分析

4.5 小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢