[发明专利]一种基于地球大气减速的月地返回飞行器低燃耗捕获方法

说明书

本发明公开的一种基于地球大气减速的月地返回飞行器低燃耗捕获方法，属于航空航天技术领域。本发明实现方法为：建立月地返回飞行器大气飞行过程中的动力学模型；大气飞行过程中飞行器的大气飞行轨迹通过气动力调制，且倾侧角的大小能够反映气动力在不同方向上的分配，以倾侧角作为大气飞行轨迹的调整参数；建立实现捕获至目标轨道的终端状态约束；以终端状态为中间参数，构建倾侧角参数与目标轨道根数之间的非线性关系，从而构建求解方程；以构建的求解方程快速求解得到满足捕获任务的气动捕获轨迹和相应的控制参数；根据给定的控制参数，通过动力学模型进行积分得到满足终端状态约束的气动捕获轨迹，进而实现月地返回飞行器低燃耗捕获。

技术领域

本发明涉及一种基于地球大气减速的月地返回飞行器低燃耗捕获方法，尤其涉及适用于月球探测器返回地球时需要以较低燃耗捕获形成地球环绕轨道，属于航空航天技术领域。

背景技术

对于月球采样返回或载人月球探测器，在执行完月球探测任务之后均需要返回地球。而当探测器返回地球附近时，对于某些特殊任务，比如探测器应急返回修复后再次执行月球探测任务，则探测器无需返回地球表面，取而代之最佳的方案是先将探测器捕获成地球环绕轨道，然后经过对探测器二次准备之后继续执行任务。这个策略最直接的效益就是省去了探测器二次发射所带来的成本，因此极大地缩减了任务总成本。该策略中最关键的环节之一就是如何将飞行器以较小的燃耗捕获成为地球环绕轨道，但由于到达地球附近时飞行器以大椭圆轨道的速度飞行，所以必须执行地球近地点制动捕获过程才能形成环绕轨道。传统脉冲机动捕获由于纯粹依靠飞行器所携带燃料，并且制动过程，所需燃料消耗量巨大，所以脉冲制动极大地限制飞行器可捕获的范围。由于该问题的存在使得寻找燃耗较低的捕获策略成为重要的工程问题，其中气动减速技术依靠其低燃耗高制动效率成为了近些年研究的热点。在地球附近，气动减速本质是借助地球大气的阻力，通过调制飞行器气动控制角来减速飞行器，从而实现捕获至目标环绕轨道的过程。因此，研究适用于地月返回飞行器捕获形成地球环绕轨道的大气减速制动策略在执行月地返回任务中有重大的工程意义。

在已发展的关于月地返回飞行器捕获方法中在先技术[1](参见：Giancotti M,Pontani M,Teofilatto P.Lunar capture trajectories and homoclinic connectionsthrough isomorphic mapping[J].Celestial MechanicsDynamical Astronomy,2012,114(1-2):55-76.)给出了基于脉冲机动形成环绕轨道的捕获方法，该方法通过利用地月三体的动力学特性，实现了以较低燃耗执行脉冲捕获的过程。然而该方法毕竟是采用脉冲捕获，从结果来讲总燃耗依然很大，因此当飞行器燃耗不足时仍难以应用到地月返回飞行器捕获形成地球环绕轨道的任务中。

发明内容

本发明公开的一种基于地球大气减速的月地返回飞行器低燃耗捕获方法要解决的技术问题是：通过将求解满足终端远心点高度的气动捕获轨迹的问题转换成倾侧角参数求解问题，并通过求解给出相应倾侧角参数从而确定满足约束的气动捕获轨迹，进而实现月地返回飞行器低燃耗捕获。本发明具有如下优点：(1)鲁棒性强、可重复性高；(2)确定方法灵活性高；(3)对月地返回轨道类型没有严格限制和约束；(4)对气动捕获飞行器类型的适用范围广。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。