月球探测器软着陆最优轨道设计.pdf

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7一Augus,2006,Harbin,Heilon目iang11t

月球探测器软着陆最优轨道设计

周净扬,周荻,段广仁

,
哈尔滨工业大学哈尔滨15。。01

.
一.
Email:zhoud@hiteduen

。
摘要:针对探测器月面软着陆问题,建立了月球探测器在三维空间飞行的精确动力学模型以燃耗最优为指标,利用

,。,
oPntyragin极大值原理得到了发动机推力开关曲线和推力方向角的最优控制律通过对两点边值问题的求解得到

。
了探测器软着陆的最优轨线。仿真研究说明了所设计的方法的有效性
关健词:月球探测器,软着陆,最优轨线

OPtimalOrbitDesignofLunarModulesSoftLanding

一,,一
ZhouJingyangZhouDiDuanGuangren

HarbinInstituteofTeehnology,Harbin150001,China

一:..
Emailzhoud@hiteduen

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A加taretPreeisethreedimensionaldynamiesforlunarsoftlandingwerePresentedTorealizetheminimalfuelstrate

,anoaeonroaasrooseaseoneaurnee.sov一
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·
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化。
1Introduetion
引言(),
本文针对月面软着陆问题基于牛顿第二定律建
月球是距离地球最近的天体,对月球资源和环境立月球探测器在三维空间飞行的精确数学模型,考虑
进行科学研究和考察,是人类走出地球,探索未知世实际工程间题,制动发动机采用开关控制的定常推力
界所必需经历的重要步骤。从1959年至今,美国、前液体火箭发动机。基于燃耗最优原则,利用极大值原
苏联和日本三个国家已成功地实现了对月球的探测。理求取推力开关曲线和推力方向的最优控制律。

,“
随着航天科技的不断发展我国的月球探测工程嫦-
2TheDiensionalDy
。软着陆动力学模型(erm
娥计划”也已经顺利展开〔`和」
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由于月球没有大气探测器着陆时无法利用气动
力制动,只能利用制动发动机来减速,在很大程度上探测器从环月轨道开始软着陆时,首先进行霍曼
限制了探测器所能携带有效载荷的质量。探测器在变轨,进人一条远月点高度约为110km,近月点高度约

。,
月面着陆可以分为硬着陆和软着陆硬着陆对月速为15km的椭圆轨道;当到达近月点时制动发动机点

,,,,
度不受限制探测器撞上月球后设备将损坏只能在火探测器进人动力下降段;距月面大约2km时水平
接近月球的过程中传回月面信息;软着陆对月速度比速度减为零,调整姿态后,探测器垂直降落至月面。为

,。
较小探测器着陆后可继续在月面进行考察sj[已发了简化,本文研究从近月点至月面的制动方案。

,
表的文献大多都是假设月球探测器在一个固定的铅设()zyz为原点在月心的惯性坐标系参考平面

,一。,
锤平面内运动没有考虑侧向运动〔4幻但由于发动是月球赤道面Ox轴通过月面上的SinusMedi(中
,,,
机安装偏差和姿控系统误差的存在探测器难以保证央湾)伪轴指向月球自转方向Oz轴按右手坐标系
。。,
始终在铅锤平面内运动文献[9〕虽然考虑了探测器确定Axlyl21为原点在探测器的轨道坐标系Ayl

,
在三维空间的运动但所用模型经过了较高程度的简指向从月心到着陆器的延伸线方向,Ax,垂直Ay,指
向运动方向,Az;按右手坐标系确定。制动发动机推

,,
:尸口Py
IEEECatalogNumbero6EXi3zo力的方向与探测器纵轴重合为与A轴正

,
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资助项目国家自然科学基金重点项目(No60475027)和教育部留学回向所成夹角必为p在xA平面上的投影与Axl

.。,
国人员科研启动基金资助轴负向所成夹角尹为Ay,与汤所成夹角a为Axl
2213
。。,
在xoz平面上的投影与(〕艾轴正向所成夹角(图1)大设t,为软着陆结束时刻应用Pontyragin极大
,
a和月的信息