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        嫦娥三號(hào)軟著陸軌道近月點(diǎn)的確定

        2015-10-21 19:39:14張志杭劉炳銳王堯

        張志杭 劉炳銳 王堯

        【摘 要】嫦娥三號(hào)的成功發(fā)射與著陸著實(shí)讓國(guó)人喜悅,它的成功也凝結(jié)了許多科學(xué)家的辛勞汗水。本文介紹如何用數(shù)學(xué)建模的方法確定嫦娥三號(hào)在月面15公里上空的近月點(diǎn)位置:構(gòu)建力學(xué)模型,建立嫦娥三號(hào)的質(zhì)量、比沖、時(shí)間的微分關(guān)系,依據(jù)燃油最省的原則,通過(guò)試算得到飛行器主減速階段初末俯仰角和推力的最佳值,按時(shí)間線性插值俯仰角,運(yùn)用MATLAB對(duì)主減速過(guò)程進(jìn)行擬合,得到主減速階段的水平位移,而后根據(jù)月球表面相對(duì)位移與經(jīng)緯度的變化關(guān)系,以及預(yù)定著陸點(diǎn)坐標(biāo)19.51W,44.12N反推近月點(diǎn)位置。

        【關(guān)鍵詞】軟著陸;節(jié)省燃油;坐標(biāo)反推;MTALAB

        1.問(wèn)題重述

        嫦娥三號(hào)于2013年12月2日1時(shí)30分成功發(fā)射,12月6日抵達(dá)月球軌道。嫦娥三號(hào)在著陸準(zhǔn)備軌道上的運(yùn)行質(zhì)量為2.4t,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,其比沖為2940m/s,可以滿足調(diào)整速度的控制要求。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(guò)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。嫦娥三號(hào)的預(yù)定著陸點(diǎn)為19.51W,44.12N,海拔為-2641m。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),盡量減少軟著陸過(guò)程的燃料消耗。試確定:著陸準(zhǔn)備軌道近月點(diǎn)和遠(yuǎn)月點(diǎn)的位置,以及嫦娥三號(hào)相應(yīng)速度的大小與方向。

        2.問(wèn)題分析

        這個(gè)問(wèn)題屬于航天著陸軌道設(shè)計(jì)。

        (1)軌道面確定:飛行器可以視為一個(gè)小型天體,它在橢圓繞月軌道上需要服從開(kāi)普勒第一定律、為節(jié)省燃油軌道面過(guò)預(yù)定著陸點(diǎn)、選定典型極地軌道,三個(gè)條件決定著陸準(zhǔn)備軌道和月球19.51W經(jīng)線圈位于同一平面。

        (2)著陸階段水平位移確定:軟著陸6大階段中主減速階段(月面上空15km至3km)的水平位移占據(jù)總水平位移中的絕大部分,其余5大階段多產(chǎn)生豎向位移或歷時(shí)較短,所以僅需要考慮主減速階段的水平位移;在設(shè)定飛行器初末俯仰角后,不斷增大俯角,并以滿推力7500N制動(dòng)。

        (3)主減速階段推力控制策略:因比沖衡定,飛行器推力越大從而消耗燃油越快;為使得嫦娥三號(hào)減少制動(dòng)耗能,應(yīng)在高空盡可能多地使用燃油抵消機(jī)械能;進(jìn)而在主減速階段可以采用噴射器滿推力7500N工作的控制策略。

        (4)坐標(biāo)反推:在計(jì)算主減速階段水平位移后,依據(jù)主減速階段平均高度(距離月心)折算維度變化,參考預(yù)定著陸點(diǎn)坐標(biāo)得到近月點(diǎn)坐標(biāo)。

        3.模型假設(shè)

        (1)在嫦娥三號(hào)動(dòng)力下降過(guò)程中,忽略地球及其他引力對(duì)嫦娥三號(hào)的影響,只考慮月球?qū)τ陲w行器的影響作用。

        (2)因月球自轉(zhuǎn)速度相對(duì)緩慢,可忽略自轉(zhuǎn)影響與科里奧利力影響。

        (3)考慮燃料的消耗對(duì)于嫦娥三號(hào)的質(zhì)量的影響。

        (4)因?yàn)樵虑虻谋饴蕛H為1/963.725=0.00308,所以可以將月球簡(jiǎn)化為球體。

        (5)月球表面沒(méi)有大氣層,幾乎無(wú)空氣阻力,嫦娥三號(hào)機(jī)械能守恒。

        (6)在0.1s內(nèi),嫦娥三號(hào)的速度,加速度的大小和方向以及質(zhì)量保持不變。

        4.模型建立

        4.1建立動(dòng)坐標(biāo)系

        坐標(biāo)系X軸以嫦娥三號(hào)進(jìn)入主減速階段為起始點(diǎn),距離月球表面15km的圓軌道的切向方向?yàn)樽鴺?biāo)軸原點(diǎn),以起始點(diǎn)沿月球徑向遠(yuǎn)離球心的方向Y軸的正方向。即坐標(biāo)原點(diǎn)與嫦娥三號(hào)在同一月球半徑上。

        4.2力學(xué)模型與運(yùn)動(dòng)模型

        嫦娥三號(hào)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到月球的引力與重力成正比,月球的引力指向月球圓心,分析嫦娥三號(hào)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),在橢圓的任一點(diǎn)處,嫦娥三號(hào)受到的月球引力均為F;第t時(shí)刻,飛行器的水平速度的大小為Vxt,豎直方向的速度大小為Vyt:

        一方面,嫦娥三號(hào)在極地橢圓軌道的平面內(nèi)做曲線運(yùn)動(dòng),滿足法向力的平衡:引力、慣性力、重力合力為零, 另一方面,嫦娥三號(hào)在曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)切向滿足牛頓第二定律。

        質(zhì)量變化由燃油損耗引起,由于比沖恒定等于2940m/s,所以單位時(shí)間消耗的燃料數(shù)量恒定,為2.55kg/s。

        嫦娥三號(hào)主減速階段的邊界條件已知:高度由15公里降至3公里,初速度為1.695km/s,方向?yàn)樗剑礄E圓軌道近月點(diǎn)處切向)。

        4.3水平位移的計(jì)算

        為了保證主減速階段的要求,需要滿足以下邊界條件:主減速階段初末速度分別為1.7km/s與57m/s,初末高度分別為15km與3km;主減速階段的主要任務(wù)是減速,故飛行器噴射器應(yīng)在降落過(guò)程中基本與速度方向相反;為避免因控制誤差而導(dǎo)致飛行器逃逸,取初始俯角5°,末俯角30°(后階段控制策略最優(yōu)化要求),滿推力7500N工作,取時(shí)間的步長(zhǎng)為0.1s ,建立角度均勻變化模型,使用MATLAB程序?qū)γ恳粋€(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的角度值進(jìn)行擬合,經(jīng)解得:嫦娥三號(hào)經(jīng)過(guò)的水平距離為389km,此時(shí)的水平速度45.32m/s,豎直方向速度34.21m/s。

        4.4近月點(diǎn)位置的確定

        所以近月點(diǎn)可以是距離著陸點(diǎn)上空15km,水平距離為389km的圓上的任一點(diǎn)。月面上空8km(主減速階段平均高度)高度19.51°W經(jīng)線圈的半徑為1743.8km,所以緯度上每變化一度,變化的距離約為每度30.43公里,由水平位移為389km可得,角度變化為12.75°

        所以降落圈的最南端為C(19.41°W,31.37°N),最北端為D(19.41°W,56.87°N)。

        選擇由南向北的典型極地繞月軌道,近月點(diǎn)位置即可確定:(19.41°W,31.37°N),月面上空15km處,即可進(jìn)入主減速階段。

        4.5遠(yuǎn)月點(diǎn)位置及近遠(yuǎn)月點(diǎn)速度

        遠(yuǎn)月點(diǎn)由月面坐標(biāo)的中心對(duì)稱可得,為(340.59°E,31.37°N);由于月球球心處于橢圓軌道的一個(gè)焦點(diǎn)上,近、遠(yuǎn)月點(diǎn)的速度可由角動(dòng)量守恒、機(jī)械能守恒兩大定律聯(lián)合解得:近月點(diǎn)速度為1.695km/s,遠(yuǎn)月點(diǎn)速度為1.617km/s。

        在求得近、遠(yuǎn)月點(diǎn)位置與速度后,若要模擬實(shí)際著落點(diǎn),應(yīng)以此計(jì)算結(jié)果為初始條件,分主減速、快速調(diào)整、粗避障、細(xì)避障等6階段進(jìn)行計(jì)算。

        5.誤差分析

        5.1月球自轉(zhuǎn)影響

        月球自轉(zhuǎn)的角速度為:1.525(單位為度/秒,自轉(zhuǎn)周期取27天7時(shí)43分)。

        在大約750s的軟著陸過(guò)程中,月球自轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)的角度為0.11°;由月球自轉(zhuǎn)方向自西向東,故近月點(diǎn)應(yīng)向東修正0.11°。

        5.2科氏力影響

        科氏力作用下飛行器偏向223m,折算為經(jīng)度偏差即0.01°,方向與自轉(zhuǎn)相反。

        所以近月點(diǎn)坐標(biāo)修正為:(19.31°W,31.37°N)。

        6.模型推廣

        此模型考慮在著陸過(guò)程中,飛行器在變質(zhì)量的情況下制動(dòng)的控制策略,可應(yīng)用于一般的飛行器著陸控制問(wèn)題;近月點(diǎn)計(jì)算模型可適用于一般的著陸準(zhǔn)備軌道選取。 [科]

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]張洪華,關(guān)軼峰,黃翔宇.嫦娥三號(hào)著陸器動(dòng)力下降的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制.

        [2]果殼網(wǎng),http://www.guokr.com/link/120088/?basket_id=14654,月球經(jīng)緯度是怎么確定.

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