留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

直接再入大气的月地转移轨道设计

本立言 严玲玲 谢祥华 张锐 王国际

本立言, 严玲玲, 谢祥华, 等 . 直接再入大气的月地转移轨道设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(2): 287-293. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0194
引用本文: 本立言, 严玲玲, 谢祥华, 等 . 直接再入大气的月地转移轨道设计[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(2): 287-293. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0194
BEN Liyan, YAN Lingling, XIE Xianghua, et al. Design of Moon-to-Earth transfer orbit with direct atmospheric reentry[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(2): 287-293. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0194(in Chinese)
Citation: BEN Liyan, YAN Lingling, XIE Xianghua, et al. Design of Moon-to-Earth transfer orbit with direct atmospheric reentry[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(2): 287-293. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0194(in Chinese)

直接再入大气的月地转移轨道设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0194
详细信息
    作者简介:

    本立言  男,硕士,工程师。主要研究方向:轨道设计与控制

    张锐  男,博士,研究员。主要研究方向:微小卫星姿态控制及轨道控制。E-mail:acumen_zhang@163.com

    通讯作者:

    张锐. E-mail:acumen_zhang@163.com

  • 中图分类号: V412.4

Design of Moon-to-Earth transfer orbit with direct atmospheric reentry

More Information
  • 摘要:

    针对从月球停泊轨道出发直接再入大气的月地转移轨道设计问题,提出了一种数值求解算法。该算法由初值设计和精确解求解两部分组成。首先,根据轨道设计的相应约束,采用伪状态理论,通过简单迭代求解高精度的初值。然后,考虑精确的动力学模型,通过数值积分计算真实轨道和状态转移矩阵,并利用微分修正方法搜索精确解。该算法通过设计高精度的初值,降低了月地转移轨道的设计难度。数值仿真表明:该算法求解效率高,具有良好的鲁棒性。

     

  • 图 1  伪状态理论示意图

    Figure 1.  Schemetic of pseudostate theory

    图 2  月地转移轨道的几何约束

    Figure 2.  Geometric constraints of Moon-to-Earth transfer orbit

    图 3  月地转移轨道3D示意图

    Figure 3.  Three-dimensional illustration of Moon-to- Earth transfer orbit

    图 4  月地转移轨道2D示意图

    Figure 4.  Two-dimensional illustration of Moon-to- Earth transfer orbit

    图 5  一个轨道周期内变轨速度增量变化趋势

    Figure 5.  Track change velocity increment versus time in one orbit period

    图 6  变轨速度增量变化趋势

    Figure 6.  Track change velocity increment versus time

    图 7  轨道平面改变量变化趋势

    Figure 7.  Change of orbit plane versus time

    表  1  初值设计时伪状态位置误差迭代过程

    Table  1.   Iteration process of pseudostate position error during initial solution design

    迭代次数 Δx/m Δy/m Δz/m
    1 7101140 -8735400 -3641240
    2 453967 101658 104456
    3 1622.07 279.576 393.42
    4 102.868 13.296 21.020
    5 5.799 0.804 1.249
    6 0.350 0.0425 0.069
    下载: 导出CSV

    表  2  精确解求解时再入点状态偏差迭代过程

    Table  2.   Iteration process of reentry point state error during exact solution search

    迭代次数 ΔRe/m Δcos ie Δcos φe
    1 413183 0.0112 0.0007
    2 6385.410 0.0019 0.0015
    3 321.208 0.00012 0
    4 2.334 0 0
    下载: 导出CSV

    表  3  月地转移轨道特征参数

    Table  3.   Characteristic parameters of Moon-to-Earth transfer orbit

    编号 再入
    方式
    转移
    时间/d
    再入点速度/
    (m·s-1)
    再入
    航程/km
    1 升轨 3.689 10.985 4969
    2 升轨 3.871 10.984 10378
    3 降轨 3.334 10.987 32748
    4 降轨 3.516 10.985 38124
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨维廉, 周文艳.嫦娥一号月球探测卫星轨道设计[J].航天器工程, 2007, 16(6):16-24.

    YANG W L, ZHOU W Y.Orbit design for lunar exploration satellite CE1[J].Spacecraft Engineering, 2007, 16(6):16-24(in Chinese).
    [2] 李立涛, 杨涤, 崔祜涛.奔月轨道的一种求解方法[J].宇航学报, 2003, 24(2):150-155.

    LI L T, YANG D, CUI H T.An algorithm for the solution of trans-lunar trajectory[J].Journal of Astronautics, 2003, 24(2):150-155(in Chinese).
    [3] 周文艳, 杨维廉.月球探测器转移轨道的中途修正[J].宇航学报, 2004, 25(1):89-92.

    ZHOU W Y, YANG W L.Mid-correction of trans-lunar trajectory[J].Journal of Astronautics, 2004, 25(1):89-92(in Chinese).
    [4] OCAMPO C, SAUDEMONT R.Initial trajectory model for amulti-maneuver Moon-to-Earth abort sequence[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2010, 33(4):1184-1194. doi: 10.2514/1.46955
    [5] 高玉东, 郗晓宁, 白玉铸, 等.月球探测器返回轨道快速搜索设计[J].宇航学报, 2008, 29(3):765-771.

    GAO Y D, XI X N, BAI Y Z, et al.Fast searching design method for return transfer trajectory of lunar probe[J].Journal of Astronautics, 2008, 29(3):765-771(in Chinese).
    [6] 张磊, 于登云, 张熇.直接再入大气的月球返回轨道设计研究[J].航天器工程, 2010, 19(5):50-55.

    ZHANG L, YU D Y, ZHANG H.Design of moon return trajectory with direct atmospheric reentry[J].Spacecraft Engineering, 2010, 19(5):50-55(in Chinese).
    [7] 张磊, 于登云, 张熇.月地转移轨道快速设计与特性分析[J].中国空间科学技术, 2011, 31(3):62-70.

    ZHANG L, YU D Y, ZHANG H.Preliminary design and characteristic analysis of Moon-to-Earth transfer trajectories[J].Chinese Space Science and Technology, 2011, 31(3):62-70(in Chinese).
    [8] 郑爱武, 周建平, 刘勇.月地转移轨道快速设计方法[J].北京航空航天大学学报, 2014, 40(3):344-349. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0241

    ZHENG A W, ZHOU J P, LIU Y.Fast design method of Moon-to-Earth transfer trajectory[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2014, 40(3):344-349(in Chinese). doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2013.0241
    [9] 郑爱武, 周建平.月地转移轨道精确轨道设计[J].飞行器测控学报, 2014, 33(1):52-58.

    ZHENG A W, ZHOU J P.Accurate design of Moon-to-Earth transfer orbit[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology, 2014, 33(1):52-58(in Chinese).
    [10] 郑爱武, 周建平.直接再入大气的月地返回窗口搜索策略[J].航空学报, 2014, 35(8):2243-2250.

    ZHENG A W, ZHOU J P.A search strategy of back windows for Moon-to-Earth trajectories directly returning to the earth[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(8):2243-2250(in Chinese).
    [11] 汪中生, 孟占峰, 高珊, 等.探测器月地转移入射变轨策略优化设计[J].航天器工程, 2019, 28(1):10-18.

    WANG Z S, MENG Z F, GAO S, et al.Optimization design of spacecraft trans-earth insertion strategy[J].Spacecraft Engineering, 2019, 28(1):10-18(in Chinese).
    [12] WILSON S W.A pseudostate theory for the approximation of three-body trajectories: AIAA-70-1061[R].Reston: AIAA, 1970.
    [13] LUO Q, MENG Z, HAN C.Solution algorithm to a quasi-Lambert's problem with fixed flight-direction angle constraint[J].Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 2011, 108(4):409-427.
    [14] ZIMMER S, OCAMPO C.Analytical gradients for gravity assist trajectories using constant specific impulse engines[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2005, 28(4):753-760.
    [15] OCAMPO C, MUNOZ J P.Variational model for the optimization of constrained finite-burn escape sequences[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2010, 33(5):1615-1621.
  • 加载中
图(7) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  833
  • HTML全文浏览量:  216
  • PDF下载量:  205
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-28
  • 录用日期:  2019-08-23
  • 网络出版日期:  2020-02-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答