脉冲辅助的借力飞行轨道设计

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1、第12卷第4期2012年2月科学技术与工程Vo1．12No．4Feb．20121671—1815(2012)04—0857—05ScienceTechnologyandEngineering@2012Sci．Tech．Engrg．脉冲辅助的借力飞行轨道设计侯艳伟岳晓奎张莹(西北工业大学航天学院，西安710072)摘要以借助金星引力的火星探测器轨道设计为背景，针对借力前后可能存在的速度不匹配问题，提出了一种脉冲辅助借力的解决方式。分析了脉冲大小和脉冲作用方向对借力前后速度和能量的影响。其次，结合借力过程的理论分析，将之用到金星借力的火

2、星轨道设计中，用遗传算法对借力飞行轨道的参数进行优化。最后，通过与无动力借力方式和深空机动方式所需要总能量大小的比较，得出脉冲辅助借力飞行方式需要更低能量的结论。关键词脉冲机动借力飞行遗传算法火星探测中图法分类号V412．41；文献标志码A探测器从一个星球出发，飞近某个星球，利用生的效果不能满足速度要求的情况，本文提出一种该星球的引力改变飞行轨迹，然后飞向另一个星基于脉冲机动的方式。球，这种利用天体的引力作用改变探i贝4器轨道的方1脉冲辅助借力飞行轨道设计式叫做借力飞行或引力辅助轨道转移方式。借力飞行：是一种用于减少航天任务中燃料消

3、耗的常用在借力飞行轨道的设计中，一个关键问题就是方法。这一概念首先由Leverrier和Tisserand在研能量匹配的问题。由于借力天体的性质以及飞行究彗星轨道时提出。之后许多学者研究了借力飞安全高度等的约束，飞越速度很难严格的匹配，往行的方案和轨道设计_】，2]。Nathan和Longuski共同往采用外力辅助的方式来解决匹配的问题。下面研究了一种设计引力辅助轨道的图解方法J。Lon．就探讨一下附加脉冲机动的借力飞行问题。1．1近心点处施加脉冲的情况guski等基于能量匹配提出了借力飞行轨道设计的若给出了近心点的半径r。，可以求

4、出脉冲作用前等高线图法J。国内的张旭辉等研究了无动力的厂————金星借力火星探测轨道_5J，采用能量匹配的方法对探测器的速度一=．／一+zixp，其中，一为进入行火星探测轨道进行了仿真验证。星的影响球时探测器相对于行星的速度。进一步如果借力飞行因其能有效地降低星际探测任务所需的发射能量和总的速度增量，受到人们的广泛关知道了脉冲作用的大小和方向0c，可以求得脉冲作注。但是，对于无动力的借力飞行轨道，要求借力用后探测器的速度+=√；一十△十一AUCOS~。前后能量匹配，从而导致一些发射能量小，同时借从而求得离开行星影响球时的速度为力前后

5、能量不能匹配的发射机会会被忽略。Pra+一。doI、Casalino等学者对于有动力借力飞行前后探测器能量、动量以及速度变化进行了分析，给出了计算得到速度的总转角，可以得到借力前后借力前后探测器日心转移轨道能量、动量和速度大的速度和能量与脉冲大小的关系式：小与脉冲的大小和脉冲作用角度之间的关系图，但AV：√(。一)+(。一“)(1)是并没有对借力的半径进行优化。本文以金星借AE=1／2(+2。一2一i2)(2)力的火星探测为背景，针对无动力的引力辅助所产其中=一+sin(1一6+)，。：一+V∞+COS(一6+)，=一∞一sin(一

6、6)，Vf=2011年11月22Et收到COS(一6)，=sinI{1+1第--作者简介：侯艳伟(1986一)，男，硕士研究生，研究方向：深空一+V~_探测轨道设计与优化。E-mail：yw_h2009@126．c0m。858科学技术与工程12卷为两个主天体的连线与借力天体和近心点之2轨道设计算法模型间的连线的夹角，为借力天体的速度。1．2任意点处施加脉冲的借力情况的求解借力过程中施加脉冲的大小与借力前后航天对于借力飞行轨道设计中，往往知道借力前后器相对于借力天体的速度有关，该速度与离开和到的速度，即速度的转角已知。另外，影响施加脉

7、冲达时间有关。也就是说知道了时间窗口，就可以计大小的变量还有脉冲的方向和作用时刻，而作用时算得到相对于借力天体前后的速度，进一步可以优刻可以用借力双曲线轨道的真近点角来表示。令化得到能量不匹配时需要施加的脉冲的大小与施加脉冲点处的真近点角为，脉冲的方向与探测方向。器速度方向的夹角为。计算施加脉冲大小的步骤本文以借力金星的火星探测为例，设计性能指如下：标设计如下：1)给定脉冲施加前双曲线的近心点，则施加脉l，(E，，XM)=+△(7)冲前的双曲线轨迹已经确定了。其参数为：半长轴满足的约束条件为：≤V。，半通径P：2rP+，偏心率，{艿

8、≤6(8)厂——e=(R≤rp≤Ⅲ，、／1+。其中，／'p为近fl,点半径。脉冲作用点p式(8)中为引力辅助后需要施加的脉冲机动，处真近点角为0，脉冲作用点处的轨道半径为和飞为探测器离开地球时相对于地球的速度。需优行器的速度分别为：化