载人小行星探测转移轨道设计与优化

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1、工学硕士学位论文载人小行星探测转移轨道设计与优化THETRANSFERTRAJECTORYDESINANDOPTIMIZATIONFORMANNEDASTEROIDEXPLORATION郑博哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V448.22学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学硕士学位论文载人小行星探测转移轨道设计与优化硕士研究生：郑博导师：张泽旭教授申请学位：工学硕士学科：飞行器设计所在单位：飞行器动力学与控制研究所答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V4

2、48.22U.D.C.:629.78ThesisfortheMasterDegreeinEngineeringTHETRANSFERTRAJETOYDESIGNANDOPTIMIZATIONFORMANNEDASTEROIDEXPLORATIONCandidate：ZhengBoSupervisor：Prof.ZhangZexuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：SpacecraftDesignSpacecraftDynamicsandControlAffiliat

3、ion：InstituteDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要载人小行星探测是脱离地球影响球的长期行星际飞行，这种探测经历是载人登月任务无法替代的，也可以成为未来载人登陆火星的先导，具有重要的研究价值。行星际转移轨道的设计与优化是探测任务设计的关键技术之一，本文根据载人深空探测任务的特点，对行星际转移轨道的设计与优化问题进行深入研究。首先，通过求解Gauss问题绘制地球-小行星两

4、脉冲转移轨道的能量等高图，得到探测器的初始转移轨道和发射窗口。然后，利用序列二次规划算法进行轨道优化，得到地球-小行星之间的最优两脉冲转移轨道。选取编号4660的Nereus小行星为探测目标，给出2018-2023年间的发射窗口与最优两脉冲转移轨道，验证算法的可靠性。该方法适用于搜索范围较大的脉冲转移轨道设计。其次，利用正弦指数函数逼近小推力转移轨迹的方法对小推力转移轨道的初始设计方法进行研究，并且给出基于该方法的发射窗口搜索步骤。针对小推力转移轨道和目标小行星投射轨道在参考面内的交点求解问题，给出定步长和定搜索方向的牛顿法求解方法。选

5、取编号99942的Apophis小行星为探测目标，给出2015-2025年间的发射窗口与小推力转移轨道。该方法适用于小推力转移轨道初始参数的快速求解。最后，系统地研究伪谱法在小推力转移轨道优化设计中的应用。文中构造小推力轨迹优化的伪谱法格式，通过伪谱离散，将连续轨迹优化问题转化为非线性规划问题，并结合SNOPT求解器得到能量最优的小推力转移轨迹。选取编号4660的Nereus小行星为探测目标，给出地球-小行星之间的小推力转移轨道。该方法可以有效地求解燃料最优或者能量最优的小推力转移轨道优化问题。关键词：载人小行星探测；行星际转移轨道；两

6、脉冲转移轨道；小推力转移轨道；轨道设计与优化I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractMannedasteroidexplorationisalong-terminterplanetaryflightthatisoutoftheinfluenceoftheearth,whichcannotbereplacedbymannedlunarexploration.Itcanalsobecometheforerunnerofmannedmarsexplorationinthefuture.Mannedasteroidexploration

7、hasaveryimportantresearchvalue.Thedesignandoptimizationoftheinterplanetarytransfertrajectoryisoneofthekeytechnologiesinthemannedasteroidexplorationmission.Inthisdissertation,theinterplanetarytransfertrajectoryisinvestigateddeeplybasedonthefeaturesofdeepspacetransfertraje

8、ctories.Firstly,theporkchopplotoftwo-impulsetransfertrajectoryforEarth-AsteroidiscreatedbysolvingtheGau