火星探测器飞行轨道设计

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1、第27卷第5期飞行力学Vol.27No.52009年10月FLIGHTDYNAMICSOct.2009火星探测器飞行轨道设计尹大伟,文援兰,刘峰,廖瑛(国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙410073)摘要:在一些基本假设的基础上,初步设计了从地球停泊轨道发射探测器到达火星的飞行轨道。运用圆锥曲线拼接法,设计了采用双共切和单共切两种不同的日心段转移方式时,探测器日心段、地心段和火星中心段的飞行轨道,并分析比较了这两种设计方法的特点。根据限制性二体问题动力学模型,仿真计算了探测器在不同轨道段的飞行轨迹

2、,结果表明,探测器可以按照所设计的轨道飞行到达火星,并被其捕获,成为环绕火星飞行的卫星。关键词:轨道设计;火星探测器;轨道拼接法;霍曼(Hohmann)转移中图分类号:V412142文献标识码:A文章编号:100220853(2009)0520040204引言力体的作用,因此使用限制性二体模型和受摄二体模型求解飞行轨道。火星是距离地球最近的外行星,对火星的探测和开发具有十分重要的意义。火星探测是近年来航2坐标系定义天活动的热点之一,美、俄等曾多次发射探测器对火研究探测器的运动,首先需要定义参考坐标系。星

3、进行探测活动,取得了丰硕的成果。我国已经成根据火星探测器飞行轨道特点,定义三个坐标系:日功发射了“嫦娥一号”绕月探测器,具备了一定的深心黄道惯性系、地心黄道惯性系和火星中心黄道惯空探测能力。研究火星探测轨道与近地航天器有很性系。以日心黄道惯性系为例,坐标系定义如下:坐大差异,出现了许多新的问题,例如:力学模型的选标原点为太阳质心,x轴指向J200010平春分点,y择,轨道的设计方法,发射窗口的选择,导航及制导轴在黄道面内沿逆时针方向垂直于x轴,z轴垂直于[1]等。本文进行了初步的轨道设计研究,设计出了黄

4、道面,指向与x轴和y轴成右手定则关系。地心从地球发射飞往火星并绕火星飞行的探测器飞行惯性系和火星中心惯性系坐标原点分别定义在地球轨道。质心和火星质心,坐标轴指向定义与日心黄道惯性系平行。1基本假设在研究火星探测器飞行轨道过程中进行如下3地球、火星轨道要素的计算[2]假设:进行火星探测器的飞行轨道设计前,首先需要(1)忽略火星绕日轨道与黄道面的倾角,假设地球和火星绕日的精确轨道参数。本文利用JPL星探测器在黄道面内完成所有飞行段的轨道转移[2];历计算程序得到2008～2017年的行星位置数据,(2)由于

5、星际航行消耗的燃料有限,飞行时间计算步长设为4h,使用最小二乘法拟合出日心惯性长,为缩短飞行时间,目前多采用大推力火箭发动坐标系下地球和火星位置坐标随时间t变化的规机,本文假设发动机按冲量模式工作;律,采用6阶拟合,位置对时间求导即可得到速度。(3)探测器在飞往火星过程中,按照影响球理由JPL星历得到的实时数据点太多,本文将地火10论,假设每一时刻只受对其运动影响最大的中心引年的星历数据每21个记录分为一组进行分段拟合,收稿日期:2009201204;修订日期:2009202225基金项目:国家自然科学

6、基金资助(10573041);国家“863”计划资助(2007AA12Z308)作者简介:尹大伟(19812),男,山东威海人,博士研究生,研究方向为飞行器系统建模仿真、自主导航;文援兰(19652),男,湖南醴陵人,副教授,博士,研究方向为航天器轨道确定、航天器控制与仿真。第5期尹大伟等.火星探测器飞行轨道设计41拟合后取中间第11个点作为后续计算的计算点。到达火星影响球时探测器的日心速度为:由拟合出的位置、速度可以求出地球和火星的轨道μμVT=2×-(5)要素。由于地球和火星的轨道根数是随时间变化R

7、t-Ryt2as的,需计算出地球和火星的平均轨道根数,本文采用根据椭圆轨道性质可计算出日心轨道段其他轨迭代方法确定平均轨道根数。道要素。412日心段单共切轨道设计4探测器飞行轨道设计当日心段采用单共切转移轨道时,设转移角度根据基本假设,按照探测器不同的飞行阶段,使为fT。轨道设计时,探测器飞出地球影响球方式与[3]用圆锥曲线拼接法和影响球概念,在精确确定地双共切时相同。飞入火星影响球时,沿火星中心和球、火星轨道参数的基础上,分别设计地心段、日心日心连心线与火星影响球下的交点以速度倾角ΘT段和火星中心段飞

8、行轨道。首先选择日心段轨道转方向进入,则探测器初始矢径大小为R©+Rye,终止移方式,根据发动机的能力,日心转移轨道选择为椭位置矢径大小为Rt-Ryt,则有轨道方程:圆轨道,本文设计双共切和单共切两种日心段转移PsR©+Rye=轨道。根据两种日心段轨道设计值,计算相应的地1+escos0(6)球中心段和火星中心段飞行轨道。地心段飞行轨道PsRt-Ryt=设计为圆形近地停泊轨道和双曲线转移轨道,火星1+escosfT中心段飞行轨道为双曲线转移