连续小推力作用下航天器机动轨道设计

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1、学校代码10699分类号V448.2密级无学号2011100269连续小推力作用下航天器机动题目轨道设计作者：孙冲学科专业飞行器设计指导教师袁建平教授申请学位日期2017年11月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：连续小推力作用下航天器机动轨道设计作者：孙冲学科专业：飞行器设计指导教师：袁建平教授2017年11月Title：ContinuousLowThrustTrajectoryDesignforSpaceManeuverByUndertheSupervisionofProfessorADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytech

2、nicalUnversityInPartialFulfillmentoftheRequirementFortheDegreeofDoctorofFlightVehicleDesignXi’anP.R.ChinaNov.2017摘要摘要随着航天技术的发展，近地小行星探测、月球探测、太阳系行星探测等深空探测任务逐渐成为人类航天探索领域的研究热点。采用连续小推力推进方式实现航天器轨道机动是实现未来载人登月任务、火星探测任务需要突破和掌握的关键技术，是我国未来小行星探测、深空探测、载人登月、火星探测等任务面临的亟待解决的关键问题，因此具有重要的研究意义。论文以近地轨道机动、近地小行星探测以

3、及日地三体引力场周期轨道设计为任务背景，系统地研究了二体引力场中航天器在连续小推力作用下机动轨道设计的相关理论问题，以及在圆形限制性三体问题中周期轨道设计和轨道保持等问题。提出了一种虚拟引力场概念，并基于此提出了连续小推力机动轨道设计的解析、半解析方法，分析了这些方法所具有的特性及未来潜在应用，为未来空间机动任务轨道设计提供了新的技术储备。论文的主要研究工作总结如下：第一：研究了二体引力场中连续小推力作用下机动轨道设计的解析方法。首先，推导了航天器在切向力、径向力以及周向推力作用下轨道机动解析解。其次，基于形状方法的轨道机动设计基本思路，推导了采用形状方法设计轨道机动的动力学模型，

4、并给出了基于形状方法的轨道转移设计步骤。最后，针对航天器从大椭圆轨道到圆轨道的轨道机动问题，提出了一种半解析方法，将该方法应用于GTO轨道到GEO轨道转移中，并将结果与数值优化方法得到的结果进行对比。结果表明，在保证精度的前提下，该方法能够快速估算椭圆轨道到圆轨道转移所需要时间和能量消耗，该方法可用于近地轨道机动初始设计。第二：针对固定推力方法以及形状方法在连续小推力轨道设计中存在的推力约束及轨道形状约束问题，提出了“虚拟引力场”概念，并基于此提出了一种连续小推力机动轨道设计解析方法。首先，类比于中心引力场，提出了“虚拟引力场”概念。其次，推导了采用虚拟引力场方法设计连续小推力作用

5、下轨道机动的动力学模型，给出了机动轨道的基本思路及设计步骤。最后，将虚拟引力场方法应用于轨道拦截任务和轨道交会任务设计。研究发现，基于虚拟引力场的轨道设计方法不设定推力约束以及轨道形状约束，因此可以快速得到大量满足边界约束的可行解，结合优化算法，可以快速求解满足边界约束的最优机动轨道。第三：针对多目标近地小行星交会轨道设计问题，基于虚拟引力场方法提出了多弧段连续小推力转移轨道解析设计方法。首先，基于近地小行星轨道所具有的特点，建立了连续小推力作用下轨道转移的动力学模型，并采用虚拟引力场方法求出了解析解。进一步，针对太阳帆和电推进系统的互补性，推导了一种基于太阳帆/电推进混合推力的轨

6、道设计数学模型。最后，结合该解析方法以及数学模型，求解了基于混合推进方法的I西北工业大学工学博士学位论文多目标近地小行星轨道转移问题，并与数值优化方法进行了对比。研究发现，该方法能够快速估算多目标轨道转移所需要转移时间以及燃料消耗，因此可用于多目标近地小行星探测任务初始轨道设计。第四：针对考虑第三体引力摄动下的连续小推力机动轨道设计问题，提出了一种半解析解方法。首先，分析了第三体摄动对航天器轨道要素的影响，并推导了第三体引力摄动作用下的轨道摄动方程。其次，研究了第三体摄动对轨道要素产生的影响，并给出了在近地小行星机动轨道设计中是否需要考虑第三体摄动的判断标准。最后，基于虚拟引力场的

7、概念，提出了一种考虑第三体引力摄动的连续小推力机动轨道设计半解析方法，并将该方法应用于多目标近地小行星转移轨道设计中。研究结果表明，在保证精度的前提下，该方法可以快速求解考虑第三体摄动的连续小推力机动轨道。第五：研究了日地圆形限制性三体问题中的周期任务轨道设计问题。首先，分析了在圆形限制性三体问题中的人工拉格朗日点及其附近周期轨道特性。其次，提出了圆形三体引力场中的虚拟引力场的概念，并推导了采用虚拟引力场方法设计周期任务轨道的动力学模型。进一步，针对地球极地观测任务，