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1、2014年12月中国空间科学技术15第6期ChineseSpaceScienceandTechnology系绳辅助的行星际轨道捕获研究刘彬彬1,21,21,2黄攀峰孟中杰(1西北工业大学航天学院智能机器人研究中心,西安710072)(2航天飞行动力学技术重点实验室,西安710072)摘要针对深空探测中应用动量交换系绳辅助进行行星际轨道捕获时的系绳控制问题,首先对运行在目标行星双曲线飞越轨道上的探测器系统进行动力学建模,给出了一致性轨道捕获条件和系绳最佳切断点,并进行了动力学特性分析。考虑到子探测器捕获后的变轨需求及系绳收放速率的限制,提出了新的最优控制方法,并应用模拟
2、退火算法进行了数值求解。仿真结果表明,系绳切断时指向恰当,子探测器距离目标行星最近,将有利于后续变轨;系绳最大收放速率约为30m/s,切实可行。关键词深空探测;动量交换系绳;轨道捕获;捕获条件;最优控制DOI:10·3780/·jissn·1000-758X·2014·06·0031引言深空探测中探测器的行星际轨道捕获是保证探测任务成功的核心,其中包含了推进、姿态控[1]制、轨道控制等关键技术。随着探测器飞行距离的增长,常规的使用喷气推进方式的探测器必将携带更多的燃料,从而使其他有效载荷的携带受到限制,导致很多空间探测任务无法实施。正是化学燃料的这种不可重复使用的缺点
3、促进了无燃料推进技术的发展,如核推进技术、太阳翼技术、系[2]绳辅助技术等。[3]系绳在空间运输领域中的应用最早于1982年由Colombo提出,自此引起了众多研究者的关注。文献[4]针对月球和行星际探测任务提出了一种系绳吊索概念,通过对系绳一端的航天器施加连续力矩,使其获得所需的发射速度。文献[5]为实现地月,地火或行星间的快速、高效运输,提出了两种系绳运输系统,分别为地月轨道系绳运输系统和地火快速系绳运输系统(MERITT)。文献[6]将动量交换系绳和电动力系绳技术相结合设计了一种可重复使用且不需要燃料消耗的、从地球低轨道到地球转移轨道的系绳推进装置。文献[7]提
4、出了一种利用系绳进行航天器或有效载荷轨道转移的方法,并给出了系绳收放控制策略。目前,有关系绳在空间运输、变轨领域中的研究大部分集中在地球轨道附近,而对于探测器系统到达目标行星飞越轨道后的研究较少。文献[8-9]针对系绳在行星际轨道捕获方面的应用价值问题,通过理论推导和数值仿真,证实了与喷气推进方式相比,利用系绳辅助进行轨道捕获能够降低巨大的负载,有明显的优越性。但是,文献[8-9]在设计系绳长度控制策略时忽略了系绳的质量变化,并且没有考虑到系绳切断时刻的指向,而不当的指向将会给子探测器的后续变轨或着陆带来困难,无谓地消耗燃料;另外,给出的控制策略中系绳的收放速率达到了
5、100m/s,这对目前的系绳收放机构来说很难实现。国家自然科学基金(11272256,61005062)资助项目收稿日期:2014-03-19。收修改稿日期:2014-07-0616中国空间科学技术2014年12月针对上述问题,本文从轨道捕获条件角度对动量交换系绳辅助的行星际轨道捕获方式进行了研究。首先根据探测器系统的动力学模型给出了一致性捕获条件和系绳最佳切断点;然后从定性和定量两方面对机动过程的动力学特性进行了分析,得到了有必要施加主动控制的结论;最后针对机动过程的最优控制问题给出了数值解法,并对典型系统参数进行了仿真。2动力学建模2·1问题描述行星际轨道捕获的机
6、动过程如图1所示。该过程[8]具体可分为三个阶段:阶段1,探测器系统在到达目标行星的双曲线飞越轨道后,主探测器通过系绳将子探测器释放,并可控制其绕图示方向旋转;阶段2,在一个合适的时间点切断系绳,子探测器将被目标行星捕获;阶段3,主探测器在系绳切断后获得附加推进,驶向新轨道,准备执行下一任务。机动过程中阶段1涉及系绳在双曲线轨道上的释[10]放和控制问题,阶段3涉及多目标星连续捕获的[11]任务规划和主探测器路径规划问题。本文在此仅图1行星际轨道捕获机动过程仅研究阶段2,即选择合适的系绳切断点,实现行星Fig·1Maneuverprocessofinterplanet
7、aryorbitalcapture际轨道捕获。2·2动力学建模系绳因其柔性特点使系统的完整动力学模型异常复杂,所以在不失一般性的前提下做出以下假设:1)探测器系统可以到达目标星的双曲线飞越轨道;2)视系绳为质量均匀,长度可变的杆;3)系统所受外力中仅考虑目标星的引力;4)视主探测器和子探测器为质点。整个系统的简化模型如图2所示。图2中Oe-XYZ为惯性坐标系,Oe为目标星质心;O-xyz为系统质心轨道坐标系,O为系统质心,x轴由目标星质心指向系统质心,y轴位于轨道平面内且垂直于x轴,并指向系统在轨飞行的前进方向,z轴使得O-xyz构成右手正交系;m1
