[发明专利]航天器返回预定落点的大椭圆轨道变轨规划方法

说明书

本发明涉及一种航天器返回预定落点的大椭圆轨道变轨规划方法，包括步骤：a.确定航天器入轨条件和航天器终端约束条件；b.确定航天器变轨规划参数变量和规划约束；c.建立大椭圆高速再入返回的变轨规划方程；d.对航天器进行变轨规划，计算变轨参数；e.根据航天器初始轨道和所述变轨参数进行轨道预报；f.计算航天器再入航程，得出再入航程差；g.将所述再入航程差反馈至所述变轨规划，采用非线性规划迭代计算所需轨道及变轨参数序列。根据本发明的航天器返回预定落点的大椭圆轨道变轨规划方法能够解决近地航天器大椭圆高速再入返回的变轨规划问题。

技术领域

本发明涉及一种航天器返回预定落点的大椭圆轨道变轨规划方法。

背景技术

运载火箭将航天器发射入轨形成的轨道成为入轨轨道。航天器返回前的运行轨迹成为运行轨道。返回过程中的运行轨迹称为返回轨道。绕地飞行的返回式航天器入轨轨道通常为近圆低轨轨道，经过变轨后可以到达轨道能量较高的大椭圆运行轨道，在大椭圆轨道开展科学试验任务后需返回至预定落点，将试验样品以及相关设备回收。返回是指航天器沿其运行轨道或者经过变轨后沿过渡轨道进入地球大气层，在空气动力的作用下减速并着陆的过程。

为便于试验样品以及相关设备的回收，需选择合适的预定落点。对于一般的近圆轨道返回，通常采用回归轨道(星下轨迹周期性重复的轨道)，保证在返回圈航天器的星下点轨迹经过着陆场内的预定落点。对于大椭圆再入返回的情况，返回前的运行轨道一般为非回归轨道(星下轨迹不呈现周期性重复的规律)，返回前需要进行变轨，保证返回圈航天器星下点轨迹经过预定落点。同时对大椭圆高速再入返回问题，制动点的选择影响制动推进剂的消耗，变轨方案决定了在确定的推进剂约束下能否返回预定落点。

航天器在大椭圆轨道上运行，完成试验任务后制动，将制动点另一侧的拱点降低至大气层以内甚至大气层以下，才能保证返回舱返回地球。在椭圆轨道运行期间，椭圆轨道的拱线在空间转动，返回制动点若在椭圆轨道的近地点，为返回地球制动速度增量将异常巨大。因此对于航天器从大椭圆轨道返回，需要解决的关键问题是控制椭圆轨道拱线的转动并满足星下点轨迹经过预定落点的约束，同时满足其他设计约束。高效、合理的变轨规划方法是满足各种设计约束实现航天器返回至预定落点的关键。

现有的返回前轨道变轨规划主要涉及两类返回变轨问题，近地近圆轨道返回和月地轨道返回，对于大椭圆轨道返回的变轨规划问题国内和国际都鲜有涉及。本发明给出的方法适用于返回前的大椭圆运行轨道为非回归轨道和回归轨道的情况。

发明内容

本发明的目的在于解决近地航天器大椭圆高速再入返回的变轨规划问题，提供一种航天器返回预定落点的大椭圆轨道变轨规划方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种航天器返回预定落点的大椭圆轨道变轨规划方法，包括以下步骤：

a.确定航天器入轨条件和航天器终端约束条件；

b.确定航天器变轨规划参数变量和规划约束；

c.建立大椭圆高速再入返回的变轨规划方程；

d.对航天器进行变轨规划，计算变轨参数；

e.根据航天器初始轨道和所述变轨参数进行轨道预报；

f.计算航天器再入航程，得出再入航程差；

g.将所述再入航程差反馈至所述变轨规划；

h.重复步骤b～步骤g，采用非线性规划迭代求解所需轨道及变轨参数序列。

根据本发明的一个方面，所述航天器入轨条件包括航天器入轨轨道六要素；

所述航天器入轨轨道六要素为：半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和真近点角；

根据本发明的一个方面，所述航天器终端约束包括：返回再入角、再入段期望航程和返回落点。