嫦娥三號(hào)軟著陸軌道設(shè)計(jì)與控制策略畢業(yè)論文-wenkub
2022-09-08 16:30:00 本頁(yè)面
【正文】 器在一個(gè)固定的鉛垂面內(nèi)運(yùn)動(dòng)； 4．在模型一中，假設(shè)僅考慮地球引力攝動(dòng)和月球非球形引力對(duì)著陸器的影響； 5．在模型三中，假設(shè)不考慮攝動(dòng)項(xiàng)對(duì)著陸器的影響； 二、 主要符號(hào)說明一覽表 4 符號(hào) 符 符號(hào)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)推力方向角，其定義為 F與當(dāng)?shù)厮椒较驃A角（ rad） ISP 主發(fā)動(dòng)機(jī)比沖（ m/s） AR 橢圓軌道近月點(diǎn)半徑（ km） BR 橢圓軌道遠(yuǎn)月點(diǎn)半徑（ km） J 優(yōu)化性能指標(biāo) 四 、問題 分析 5 題目要求根據(jù)探測(cè)器繞月橢圓軌道的半徑及著陸過程的各個(gè)階段的狀態(tài)，求出遠(yuǎn)月點(diǎn)和近月點(diǎn)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(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，由已知 3km 處位置和速度逆推出近月點(diǎn) 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(shè)計(jì)的基本要求：著陸準(zhǔn)備軌道為近月點(diǎn) 15km，遠(yuǎn)月點(diǎn) 100km 的橢圓形軌道；著陸軌道為從近月點(diǎn)至著陸點(diǎn)，其軟著陸過程共分為 6個(gè)階段。嫦娥三號(hào)在著陸準(zhǔn)備軌道上的運(yùn)行質(zhì)量為 ，其安裝在下部的主減速發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(biāo)公式 ? ??? ftt dttmJ 0 )(取得最小值，確定最優(yōu)控制策略。 對(duì)于問題一，要求得著陸準(zhǔn)備軌道（即橢圓軌道）近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)的位置，通過查閱資料，對(duì)一般 底軌月球衛(wèi)星，地球引力攝動(dòng)幾乎與月球非球形引力攝動(dòng)相當(dāng)，假設(shè)不能忽略地球扁率項(xiàng)攝動(dòng)，通過建立嫦娥三號(hào)橢圓運(yùn)動(dòng)的 主要攝動(dòng)源及力模型 ，通過在 3000m 位置經(jīng)緯度 逆推法 確定近月點(diǎn)的位置，并通過遠(yuǎn)月點(diǎn)和近月點(diǎn) 位置關(guān)系 ，進(jìn)而求出遠(yuǎn)月點(diǎn)位置。 1 畢業(yè)論文 嫦娥三號(hào)軟著陸軌道設(shè)計(jì)與控制策略 2 摘要 嫦娥三號(hào)于 2020 年 12月 2日 1時(shí) 30分成功發(fā)射，探測(cè)器在高速飛行情況下，通過多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖組合以實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)的調(diào)整控制。 題目中要求遠(yuǎn)、近月點(diǎn)相應(yīng)的速度，我們通過 簡(jiǎn)化的橢圓軌道模型 ，根據(jù) 開普勒第二定律 和 機(jī)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(yīng)公式，求出近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)的速度。 對(duì)于問題三，首先我們通過將題目中附件 3 和附件 4 導(dǎo)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(dòng)提供理論依據(jù)。在四周安裝有姿態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)，在給定主減速發(fā)動(dòng)機(jī)的推力方向后，能夠自動(dòng)通過多 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖組合實(shí)現(xiàn) 各種 姿態(tài) 的調(diào)整控制。既要滿足每個(gè)階段在關(guān) 鍵點(diǎn)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(xué)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(biāo)系， 確定橢圓形 軌道近月點(diǎn) 和遠(yuǎn)月點(diǎn)的 位置 ；利用開普勒第二定律和機(jī)械能守恒，求出嫦娥三號(hào)相應(yīng)速度的大小與方向。由近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)的幾何關(guān)系，進(jìn)而確定遠(yuǎn)月點(diǎn)的位置。 首先我們對(duì)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(zhuǎn)化為三維高程圖和等高圖，見論文附錄 2和附錄 3。 ：一個(gè)天體繞另一個(gè)天體沿二體問題的軌道運(yùn)行時(shí)，因受到其他天體的吸引或其他因素的影響，天體運(yùn)動(dòng)會(huì)偏離原來的軌道。 為了便于分析，將著陸軌道的拋物線運(yùn)動(dòng)如下圖 521所示， 與地球衛(wèi)星情況類似，分別采用如下長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)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(duì)應(yīng)月心引月球赤道平均半徑 （ 1） 相應(yīng)地，有 1?G ， 1??GM? .建立月心平赤道坐標(biāo)系如圖 522，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)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(guān)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(biāo)系 8 著陸器運(yùn)動(dòng)的總機(jī)械能等于其動(dòng)能與勢(shì)能之和，當(dāng)它在近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，機(jī)械能應(yīng)分別為 BBBAAARG M mmVERG M mVE????2221m21 (7) 根據(jù)機(jī)械能守恒，應(yīng)有 BA EE ? ,結(jié)合（ 1）（ 2）（ 3）故有， )11()(21 22 cacaGM mVVm BA ????? （ 8） 綜合以上，可解得： )()()()(caaGMcaVcaaGMcaVBA?????? （ 9） 對(duì)模型一 的攝動(dòng)解的構(gòu)造求解和分析 根據(jù)對(duì)模型一的表述，在月心平赤道坐標(biāo)系中，著陸器的攝動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為 )。由遠(yuǎn)月點(diǎn)和近月點(diǎn)的幾何關(guān)系，經(jīng)度之和為 180 度，緯度關(guān)于月球赤道面對(duì)稱，進(jìn)而得出遠(yuǎn)月點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為 ， ，距月球表面上 100km. 對(duì)模型二的求解及結(jié)果分析 由 上 式 和 已 知 數(shù) 據(jù) 2211 /106 7 2 5 kgmNG ??? ?，kgM ?? ,
畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1