嫦娥三號軟著陸軌道設計與控制策略畢業(yè)論文-wenkub
2022-09-08 16:30:00 本頁面
【正文】 器在一個固定的鉛垂面內(nèi)運動； 4．在模型一中，假設僅考慮地球引力攝動和月球非球形引力對著陸器的影響； 5．在模型三中，假設不考慮攝動項對著陸器的影響； 二、 主要符號說明一覽表 4 符號 符 符號的含義及單位 M 月球的質(zhì)量（ kg） m 著陸器的質(zhì)量 (kg) R 月球平均半徑 (km) eR 月球赤道平均半徑 (km) F 主發(fā)動機的推力 （ N） r 著陸器與月心距離（ km） v 著陸器的徑向速度 (km/s) ? 著陸器極角（ rad） ? 月球引力常數(shù)（ 22 /kgmN? ） ? 主發(fā)動機推力方向角，其定義為 F與當?shù)厮椒较驃A角（ rad） ISP 主發(fā)動機比沖（ m/s） AR 橢圓軌道近月點半徑（ km） BR 橢圓軌道遠月點半徑（ km） J 優(yōu)化性能指標 四 、問題 分析 5 題目要求根據(jù)探測器繞月橢圓軌道的半徑及著陸過程的各個階段的狀態(tài)，求出遠月點和近月點的位置，我們知道在從距離月球表面 15km 的位置到 3km 的位置，豎直方向下降了 12km，我們可以建立適當?shù)淖鴺讼?，由已?3km 處位置和速度逆推出近月點 15km 的位置，并用投影在月球表面的經(jīng)緯度和高度表示。根據(jù)其著陸軌道設計的基本要求：著陸準備軌道為近月點 15km，遠月點 100km 的橢圓形軌道；著陸軌道為從近月點至著陸點，其軟著陸過程共分為 6個階段。嫦娥三號在著陸準備軌道上的運行質(zhì)量為 ，其安裝在下部的主減速發(fā)動機能夠產(chǎn)生 1500N到 7500N 的可調(diào)節(jié)推力，其比沖（即 單位質(zhì)量的推進劑產(chǎn)生 的推力 ）為 2940m/s， 可以 滿足調(diào)整 速度 的 控制 要求。通過燃料消耗指標公式 ? ??? ftt dttmJ 0 )(取得最小值，確定最優(yōu)控制策略。 對于問題一，要求得著陸準備軌道（即橢圓軌道）近月點和遠月點的位置，通過查閱資料，對一般 底軌月球衛(wèi)星，地球引力攝動幾乎與月球非球形引力攝動相當，假設不能忽略地球扁率項攝動，通過建立嫦娥三號橢圓運動的 主要攝動源及力模型 ，通過在 3000m 位置經(jīng)緯度 逆推法 確定近月點的位置，并通過遠月點和近月點 位置關系 ，進而求出遠月點位置。 1 畢業(yè)論文 嫦娥三號軟著陸軌道設計與控制策略 2 摘要 嫦娥三號于 2020 年 12月 2日 1時 30分成功發(fā)射，探測器在高速飛行情況下，通過多個發(fā)動機的脈沖組合以實現(xiàn)各種姿態(tài)的調(diào)整控制。 題目中要求遠、近月點相應的速度，我們通過 簡化的橢圓軌道模型 ，根據(jù) 開普勒第二定律 和 機械能守恒 （由于月球無大氣，著陸器環(huán)月飛行無能量耗散），列出相應公式，求出近月點和遠月點的速度。 對于問題三，首先我們通過將題目中附件 3 和附件 4 導入 matlab 中，得出高程圖和等高圖，可以判斷哪塊區(qū)域較平坦，給衛(wèi)星水平移動提供理論依據(jù)。在四周安裝有姿態(tài)調(diào)整發(fā)動機，在給定主減速發(fā)動機的推力方向后，能夠自動通過多 個發(fā)動機的脈沖組合實現(xiàn) 各種 姿態(tài) 的調(diào)整控制。既要滿足每個階段在關 鍵點所處的狀態(tài)，又要盡量 減少軟著陸過程的燃料消耗 ，我們需要建立數(shù)學模型并且討論和求解以下問題： 1．通過建立月心平赤道坐標系， 確定橢圓形 軌道近月點 和遠月點的 位置 ；利用開普勒第二定律和機械能守恒，求出嫦娥三號相應速度的大小與方向。由近月點和遠月點的幾何關系，進而確定遠月點的位置。 首先我們對題目附錄 3 和附錄 4 中，距 2400m 的數(shù)字高程圖和據(jù)月面 100m的數(shù)字高程圖，我們轉化為三維高程圖和等高圖，見論文附錄 2和附錄 3。 ：一個天體繞另一個天體沿二體問題的軌道運行時，因受到其他天體的吸引或其他因素的影響，天體運動會偏離原來的軌道。 為了便于分析，將著陸軌道的拋物線運動如下圖 521所示， 與地球衛(wèi)星情況類似，分別采用如下長度、質(zhì)量和時間單位： ????????????)7 9 0 0 3 4m i n (2 4 6 )/(][][6 4 7 3 7][2/13esGMRTGMMMkmRLe力常數(shù)月球質(zhì)量，對應月心引月球赤道平均半徑 （ 1） 相應地，有 1?G ， 1??GM? .建立月心平赤道坐標系如圖 522，衛(wèi)星的運動方程如下： ? ???????????????000000)(,)(:)。 0F 和 ?F分別為 )。則有， ? ? ? ?AAAA RVRV ??? 2121 (5) 有橢圓軌道要素幾何關系有： caR caRBA ?? ?? （ 6） O ? i m? 著陸器軌道 白道 黃道 月球赤道 x ? N I J 圖 522 月心平赤道坐標系 8 著陸器運動的總機械能等于其動能與勢能之和，當它在近日點和遠日點時，機械能應分別為 BBBAAARG M mmVERG M mVE????2221m21 (7) 根據(jù)機械能守恒，應有 BA EE ? ,結合（ 1）（ 2）（ 3）故有， )11()(21 22 cacaGM mVVm BA ????? （ 8） 綜合以上，可解得： )()()()(caaGMcaVcaaGMcaVBA?????? （ 9） 對模型一 的攝動解的構造求解和分析 根據(jù)對模型一的表述，在月心平赤道坐標系中，著陸器的攝動運動方程為 )。由遠月點和近月點的幾何關系，經(jīng)度之和為 180 度，緯度關于月球赤道面對稱，進而得出遠月點經(jīng)緯度坐標為 ， ，距月球表面上 100km. 對模型二的求解及結果分析 由 上 式 和 已 知 數(shù) 據(jù) 2211 /106 7 2 5 kgmNG ??? ?，kgM ?? ,
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