循环飞行方案的轨道设计与优化

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1、中图分类号：V412.4UDC分类号：629.78循环飞行方案的轨道设计与优化作者姓名张文博学院名称宇航学院指导教师成跃研究员答辩委员会主席梁国柱教授申请学位工学博士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月TrajectoryDesignandOptimizationforCyclerArchitectureCandidateName:WenboZhangSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Pr

2、of.YueChenChair,ThesisCommittee:Prof.GuozhuLiangDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnoogyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:June,2015本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学

3、位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要循环轨道为周期性连续往返于两个星体或多个星体间，且在星体附近绕飞而不做停留的轨道，运行在这种轨道上的飞行器不需要轨道机动或只需进行少量轨道机动即可运载人员和物资往返于星体间，因此循环飞行方案被认为是未来人类大规模航天运载的一种长期持续经济的轨道方案。本文以循环飞行

4、方案的轨道为研究对象，分为循环飞行器的轨道设计、循环轨道入轨设计、停泊轨道设计、双曲交会轨道设计四个专题进行了研究，具体研究工作如下：研究了地月系统循环轨道的工程特性。基于平面圆型限制性三体问题模型，根据轨道弧以及顺行和逆行特征采用圆锥曲线拼接法设计了五类地月系统周期轨道。以地月系统循环轨道的工程约束为出发点，从轨道周期、近地点高度、近月点高度、交会对接速度、轨道稳定性等方面分析了这五类周期轨道的特性，最后确定了由内圈S弧生成的顺行周期轨道是最适合载人循环飞行方案的轨道，并从这类轨道中求解了月球双曲线超速最小的轨道

5、。研究了地火循环轨道修正问题。在简化模型下，逐次引入了地球引力和火星引力的影响，对轨道逐级修正；然后对远拱点机动策略与借力机动策略进行了比较分析；最后在星历模型下求解并优化了2031年-2045年出航型Aldrin循环轨道。研究了地月系统两脉冲入轨问题。首先通过数值方法求解了异面椭圆轨道间两脉冲最优解，作为三体模型下两脉冲最优转移的初值；然后定义了停泊轨道与循环轨道的相位；最后在圆型限制性三体模型下通过打靶法和非线性规划法对转移轨道进行了优化，得到在三体模型下的最优脉冲。研究了地火系统循环轨道入轨问题。将地火系统循

6、环轨道分为了三个阶段：小推力逃逸段，共振引力辅助加速段，通过自旋产生重力场段；然后着重研究了共振引力辅助技术在不同地火系统循环轨道入轨中的应用。研究了两端停泊循环轨道方案中停泊轨道的选择问题。首先分析了摄动对停泊轨道根数的影响，然后建立了五种机动策略的模型，分别讨论了这五种机动策略下停泊轨道解的存在性，最后以一次典型的地火往返任务为例，对五种机动策略进行了对比分析。研究了循环轨道方案中星际转移飞行器与运载飞船的双曲交会问题。首先推导出了固定交会点圆轨道和双曲线轨道间两脉冲终端正切最优转移的解析解。然I北京理工大学博

7、士学位论文后通过计算所有可行的交会点，寻找到最优转移区间。最后加入转移时间和对接时间两个时间约束对双曲交会对接进行了优化设计，提出了正切交会正切分离和正切交会非正切分离的两种机动策略。关键词：循环轨道；入轨；轨道转移；停泊轨道；双曲交会II北京理工大学博士学位论文AbstractAcyclertrajectoryisarepeatableround-triptrajectorythatshuttlesbetweenanytwoormorecelestialbodies.Thecyclerarchitecturepr

8、ovidesareusablevehiclethatonceplacedinorbitcanshuttlecrewsandcargobetweenplanetsusingverylittlefuel,whichisregardedasanalternativeapproachtodevelopingandmaintaininglarge-scalespace