基于充气可分离式探测器的火星气动捕获制导方法研究

【作者】 彭玉明； 方宝东； 王伟； 袁渊；

【机构】 深空探测与空间科学总体室上海卫星工程研究所； 南京大学天文与空间科学学院； 上海市深空探测技术重点实验室；

【摘要】 对于火星环绕探测,探测器到达目标后必须进行制动减速以保证被行星捕获,随后降低轨道进行科学观测,速度增量需求大,探测器携带的燃料量多。未来的大型火星探测任务亟需一种既节省燃料又快速准确地进入目标轨道的途径。面对这样的需求,本文以火星气动捕获为应用背景,研究基于可分离式充气减速器的气动捕获制导算法,分析了利用气动阻力捕获降轨的可行性,提出了一种依靠阻力触发分离的自适应制导算法,通过改变弹道系数切换时刻达到控制捕获轨道高度的目的。探测器沿双曲轨道进入大气层,利用大气阻力减速后飞出大气层,形成环绕轨道,此时探测器轨道的近心点高度在大气层以下,需在远心点实施一次轨道调整,提升近心点高度。气动捕获的制导算法是影响捕获效果的关键因素。为了使探测器准确到达预定轨道,需控制因大气阻力而消耗的速度增量。根据探测器构型的不同,实现速度增量控制的手段主要有两类:一种利用探测器飞行过程中产生的升力来调整飞行弹道,最终实现控制由大气阻力产生的速度增量的目的,采用这种控制方式的探测器一般采用钝锥或升力体构型。另一种是采用可充气式结构,在飞行过程中通过充气展开与分离改变探测器弹道系数,根据分离时刻的不同来控制速度增量。对于采用一次分离的探测器,气动捕获制导算法的设计就是要根据探测器当前状态确定分离时刻,以确保探测器在飞出大气层能进入预定的轨道。常规的基于数值预测的制导算法因计算量要求高使得应用受到限制,因此本文借鉴火星着陆器自适应开伞算法的设计思想,提出一种依靠阻力实测值的制导算法,可显著较少计算量。该算法简单、易于实现,且对动力学模型误差不敏感。仿真结果表明,所采用的制导方法能够有效克服大气密度误差和初始参数不确定性的影响,具有较强的鲁棒性。更多还原