哈工大深空探测轨道设计作业_地球至火星轨道设计

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1、实用目录1.1研究现状及分析21.1.1发射窗口41.1.2火星探测轨道设计51.1.3火星探测轨道优化71.2轨道基础知识91.2.1时间系统91.2.2坐标系统101.2.3星历数据111.2.4B平面111.2.5Lambert问题121.3火星探测直接转移轨道的初步设计131.3.1日心轨道设计及发射窗口的搜索131.3.2地心段参数的确定151.3.3火心段参数的确定19文档实用1.4基于B平面参数的精确轨道设计201.4.1问题描述201.4.2制导方法211.4.3轨道精确设计求解221

2、.4仿真分析231.4.1初步轨道参数设计结果241.4.2精确轨道参数设计结果261.5结论27文档实用地球——火星转移轨道设计轨道设计是火星探测任务的基础，在设计出精确轨道前，一般都忽略次要因素，以二体模型为基础设计一条简单的轨道来满足任务的要求。本章采用普适变量方法求解Lambert问题，并给出基于pork-chop图以及优化算法两种方法对发射窗口进行搜索，基于此窗口对转移轨道进行初步设计和精确设计。1.1研究现状及分析文档实用近十年来火星探测已成为科学家们开展空间研究的主流趋势之一，火星是太阳

3、系内与地球最接近的一颗行星，它们有很多共同特征。自从水被证实在其上存在后，有存在生命的可能是人类目前对火星感兴趣的主要原因之一，此推动了科学研究，在之后每一个合适的发射窗口，都有新型的行星际探测器飞往火星，并携带科学设备用来研究火星的大气与表面，以及发现一些新奇的现象。在过去的50年里，仅美国在火星探测研究的经费已超过了100亿美金，而在不远的将来他们计划开展大量的火星科学探测活动。目前，包括俄罗斯航天局在内的世界各大航天机构正在考虑发射载人探测器到火星上的可能性，而确定这样的计划后使得火星探测基础理

4、论研究、技术支持和工程实验迅猛发展，此时我国开展火星探测是及时的，在自主研发的基础上，借鉴外国经验，发展我国自己的火星探测技术，开拓空间资源和领域，促使太空经济蓬勃发展。截至到2013年，人类从“火星1号”开始共发射41颗火星探测器，其中按任务类型可分为：飞越型、环绕型和着陆型三类。下表给出了部分抵达过火星的探测器数据（发射与到达时火星和地球的黄经差分别为和、转移时间和转移角度）。表1部分抵达火星的探测器数据探测器任务类型火星1号飞越46.34-53.01220161.61水手4号飞越58.74-46

5、.6228178.22火星2号轨道/着陆器47.95-40.77192148.56水手9号轨道器42.83-34.60168130.86火星4号轨道器41.46-52.63204148.37火星7号着陆器32.64-65.1212143.75海盗1号轨道/着陆器50.59-103.95335226.16火卫一2号轨道/着陆器36.64-56.08201141.96环球勘测者轨道器73.51-68.77308234.90火星探路者着陆/火星车61.03-36.86212172.15希望号轨道器155.0

6、1-43.361990-奥德赛号轨道器49.46-42.98200154.25快车轨道/着陆器46.56-48.52206154.49勇气号火星车42.89-53.16208151.9机遇号火星车29.95-62.88201135.27侦查轨道器轨道器36.37-60.55210146.43凤凰号着陆器63.12-73.01295217.7文档实用上表中转移角基本上都在180度附近，类似于霍曼转移轨道的结果，反映出火星轨道设计优先考虑能量问题，这为我国自行开展火星探测任务提供了参考信息。总结过去50多

7、年的火星探测任务，人类借助多个探测器对火星进行了观测与探测，揭示了一个与地球相近而又有众多不同的新世界。针对之前所取得的成果，世界各个航天大国纷纷提出自己的火星探测计划，其中以美国NASA火星科学实验室和欧空局的天外火星最具有代表性，而其主要任务为：1）开展有针对性的火星侦测任务，寻找火星上的生命迹象和热液源，及火星大气高层探测，即空间生物研究实验室和火星大气高层探测卫星；2）火星样本返回计划，采用相对简单的方法在着陆点就地采集土壤和大气样品，通过返回式飞船带回地球进行详细分析，最理想情况下这一任务将

8、于2016年欧空局开展；3）在火星安置寿命较长的着陆器形成网络，进而开展地震学、地质化学和气象学研究，评估火星上微粒的特性及大气参数的动态变化，乃至于研究航天员到达火星的生物危险等级；文档实用4）开展深度钻孔任务，即配备钻孔设备对火星土壤深度挖掘，寻找可能存在的水资源并评估其特性，以期望在未来的载人登火任务中可以充分利用火星上的资源；5）开启载人登陆火星任务，主要分三个阶段，初始阶段主要验证就地资源的使用可行性和高空拦截技术（70°锥角）及在火星大气机动