气动力辅助椭圆轨道转移技术研究.pdfVIP

中国空间科学技术 64 2012 年 6 月 Chinese Space Science and Technology 第 3 期 气动力辅助椭圆轨道转移技术研究 符俊蔡洪张士峰 (国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙 410073) 摘要 研究了两种共面椭圆轨道最优转移方法一一基于单纯推力的双脉冲对称转移和 基于气动力辅助交轨技术的协同机动方法。推导了双脉冲对称转移问题中转移椭圆轨道的 求解公式，采用遗传算法求解最优变轨点位置，给出了交轨脉冲的计算方法。将气动力辅 助对称转移过程分为 3 段z 真空飞行段、大气飞行段、真空飞行段。以能量最小为性能指 标，将大气飞行段轨迹优化问题转化为标准最优控制问题模型，并利用 Gauss 伪谱法进行 求解，得到巡航+滑行+巡航十滑行的大气录优飞行轨迹。最后对两种转移方法进行 详细比较，指出初始椭圆轨道近地点越接近大气层，气动力辅助对称转移方法比双脉冲对 称转移方法越节省能量。 关键词 气动力辅助变轨对称转移协同机动遗传算法录优控制 高斯伪谱法 航天器 DOI: 10. 3780/j. issn. 1000-758X. 2012. 03. 010 1 引言 关于真空中的最优轨道转移问题，产生了相当丰富的理论研究成果LI 飞除了单纯利用发动机 推力进行轨道改变之外，还可以利用气动力协同完成变轨[4-6J 。文献 [7-8J 采用间接法对气动力辅 助共面轨道转移问题进行 f研究。该方法对初值非常敏感，且无物理意义的协态变量初值往往难以 猜测，应给问题的求解带来了很大的闲难。文献[9J 采用数值优化软件 POSTCProgram to Optimize Simulated Trajectories) 对气动巡航模式下的异面轨道转移问题进行了研究e 文献[10J研究了一种 直接配点法在多圈气动力辅助轨道转移问题中的应用。文献[11J基于伪谱方法研究了航天器低轨异 面轨道转移问题，并对气动力辅助变轨和传统脉冲推力变轨进行了综合比较。 上述文献在对气动力辅助变轨问题的研究中，均假设初始轨道和目标轨道为圆轨道，而对于利 用气动力辅助变轨技术进行椭圆轨道转移的问题，目前相关文献较少，本文针对椭圆轨道共面转移 问题，同时研究了基于脉冲推力的对称转移和基于气动力辅助变轨技术的协同机动两种最优轨道转 移方法。 2 双脉冲对称转移 双脉冲对称转移过程如图 1 所示，转移轨道与初始轨道和目标轨道相切于 1 点和 2 点。首先在 1 点沿航天器速度方向施加速度脉冲增量.ð.vu ，使航天器进入转移轨道，最后在 2 点施加速度脉冲 国家 863 计划资助项目 收稿日期: 2011-07-18，收修改稿H 期: 201 1-09-22 2012 年 6 月 中国空间科学技术 65 增量 ë.vzz ， 使航天器进入目标轨道。可以看出，转移椭圆轨 道和最优变轨点位置的求解是解决双脉冲对称转移问题的关 键。下面先讨论转移椭圆轨道的求解方法。 (1)转移椭圆轨道 以转移轨道的主轴为极轴，实焦点为极点建立极坐标系. 2 虫Jl困 1 所示，定义变轨点位置用极坐标 (r. 伊)表示，那么初 始椭阅轨道和转移椭圆轨道的曲线方程可以分别表示为 p, =知/[1 +e， cos(ψ 十Aω/2汀• pz = p t! O + e,coscp) (1) 式中 pe， (i=1 ， 2) 分别为半通径和偏心率。在变轨点 l 处，应满足如下关系 p,( 伊) =pz(ψ) • Pl(ψ) =pz(伊) (2) 图 l 双脉冲对称转移