火星探测最优离轨制导方法研究

火星的进入、下降与着陆(Entry,Descent,and Landing,EDL)是探测任务中的重要过程,而离轨制动是飞行器EDL过程前的关键机动过程,是保证飞行器大气进入过程顺利执行的决定性步骤。针对火星进入前的离轨机动问题,提出了一种"推–滑"最优离轨制导方法。该方法在状态方程局部线性化的基础上,给出了状态和协态变量的解析形式,并通过推导最优离轨机动的必要条件,给出了"推–滑"最优离轨制导律的求解方程。仿真结果表明:提出的制导策略在保证最优性和制导精度的前提下具有良好的鲁棒性,可为我国未来火星探测过程中的离轨机动提供理论依据和方法参考。

同步双小行星系统共振轨道设计

研究了同步双小行星系统中共振轨道的设计方法及演化规律。首先,基于双椭球模型建立探测器运动方程,并给出共振轨道初值选取方法。然后,利用改进并行打靶法,提出一种双小行星系统平面共振轨道两步修正方法。同时结合稳定性理论及分岔理论,给出双小行星系统三维共振轨道生成和延拓方法;最后,以双小行星系统1999KW4为例,设计了共振比为1∶1,1∶2,1∶3,1∶4,2∶3的平面和空间共振轨道族,并分析了共振轨道的特性及轨道周期和轨道能量的变化规律。给出的双小行星系统中共振轨道的设计方法具有普适性,对未来双小行星系统探测任务中的轨道设计具有一定的参考意义与借鉴价值。

基于上升轨迹可达范围的目标拦截发射窗口计算

针对低轨目标拦截任务,提出一种利用上升轨迹可达范围分析的发射窗口计算方法。首先,建立以上升时长和航程为性能指标的上升轨迹和优化模型,确定拦截器上升轨迹可达范围。然后,根据目标星下点与上升轨迹可达范围外包络的穿越关系以及拦截器的上升时长范围,对发射窗口进行初筛,得到准发射窗口。最后,针对每一段筛选出的准发射窗口,通过精确判定目标星下点与每一上升时长可达范围子环的位置关系,得到每段准窗口中能够实现目标拦截的发射窗口,将其取并集得到针对目标拦截的精确发射窗口。仿真表明本文提出的计算方法能够快速准确得到目标拦截的发射窗口。

火星稀薄大气进入过程伞舱组合体振荡阻尼方法研究

火星着陆探测任务中,伞舱组合体的稳定是保证EDL过程安全性以及设备工作可靠性的前提,而姿态大幅振荡是目前造成着陆舱下降过程存在安全隐患的主要原因.本文针对伞舱系统在不同阶段发生高动态耦合力冲击作用下姿态振荡问题,提出了一种基于比例反馈的主动阻尼控制方法,该方法通过将姿态角偏差指数稳定作为控制律设计的目标,推导了在着陆舱有限控制能力下的姿态振荡抑制方法,并通过李雅普诺夫稳定性分析方法,严格证明了本文所提方法的一致收敛性.最后,本文分别针对减速伞展开后和防热大底分离后的姿态振荡问题,同时进行了有、无主动阻尼下的仿真分析,结果表明,无阻尼控制的着陆舱姿态振荡难以自然衰减,而施加主动阻尼后,伞舱系统可以在短时间实现稳定,从而验证了本文所提方法在姿态稳定中的有效性和多阶段任务中的适用性.