[發(fā)明專利]一種基于月球天梯的能量最優(yōu)月地轉移軌道設計方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201710531380.5
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號: CN107391813A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發(fā)明（設計）人: 王曉慧;張海征;毛李恒;張昊
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種基于月球天梯的能量最優(yōu)月地轉移軌道設計方法，其特征在于：它包括以下幾個步驟：

步驟一：設計基于月球天梯的月地轉移方案

所述基于月球天梯的月地轉移方案分為四個階段：攀爬段、月心橢圓軌道段、月心雙曲線軌道段和地心橢圓軌道段；這四個階段在時間上是順序關系；

該“攀爬段”是指攀爬器將有效載荷送至月球影響球以內的某一高度；

該“月心橢圓軌道段”是指飛船進入月心橢圓軌道，從遠月點飛行至近月點；

該“月心雙曲線軌道段”是指飛船進入月心雙曲線軌道，從近月點飛行至月球影響球邊緣；

該“地心橢圓軌道段”是指飛船進入地心橢圓軌道，從月球影響球邊緣飛行至近地點；

步驟二：建立轉移方案能量分析模型

所述“轉移能量分析模型”是由攀爬段能量分析子模型和軌道轉移段能量分析子模型兩部分組成，二者是并列關系；

該“攀爬段能量分析子模型”是用于分析攀爬器將有效載荷運送至月心橢圓軌道遠月點所消耗的能量；

該“軌道轉移段能量分析子模型”是用于分析飛船進行軌道轉移消耗的能量；

步驟三：建立轉移方案能量優(yōu)化模型

所述“轉移方案能量優(yōu)化模型”是由兩部分組成：轉移方案能量優(yōu)化目標和轉移方案能量優(yōu)化約束；

該“轉移方案能量優(yōu)化目標”是指找到能量最小的轉移方案；

該“轉移方案能量優(yōu)化約束”包含三個約束：月心橢圓軌道近月點高度約束，地心橢圓軌道近地點高度約束，單次最大速度增量；

該“月心橢圓軌道近月點高度約束”是指近月點高度大于預定值，防止飛船因近月點高度過低而撞向月球；

該“地心橢圓軌道近地點高度約束”是指近地點高度在預定范圍內，使得飛船能夠安全返回地球；

步驟四：轉移方案能量優(yōu)化

所述“轉移方案能量優(yōu)化”是指采用遺傳算法和擬牛頓法進行組合優(yōu)化；該“遺傳算法”是一種具有全局搜索能力的優(yōu)化算法，該“擬牛頓法”是一種經(jīng)典的梯度優(yōu)化算法，優(yōu)化結果受初值的影響；本發(fā)明涉及的自變量較多，如果直接采用梯度優(yōu)化算法，則很容易陷入局部最優(yōu)解，無法得到最優(yōu)的轉移軌道；先采用遺傳算法進行全局搜索，將遺傳算法的優(yōu)化結果作為擬牛頓法的初值，再用擬牛頓法進行優(yōu)化；這種組合優(yōu)化的特點是不容易陷入局部最優(yōu)解，而且優(yōu)化結果往往比單獨使用遺傳算法更好；

通過以上步驟，建立了一種全新的基于月球天梯的月地轉移方案，同時實現(xiàn)了對轉移軌道的能量優(yōu)化，降低了月地轉移過程的能量消耗，解決了傳統(tǒng)轉移方案耗能大、成本高的問題。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于月球天梯的能量最優(yōu)月地轉移軌道設計方法，其特征在于：

在步驟一中所述的“設計基于月球天梯的月地轉移方案”，其作法如下：

首先確定攀爬段的高度h，然后以攀爬段的高度h以及第一次變軌的速度增量Δv₁為輸入?yún)?shù)，確定月心橢圓軌道；再以月心橢圓軌道段的近月點高度、近月點速度以及第二次變軌的速度增量Δv₂為輸入?yún)?shù)，確定月心雙曲線軌道；最后以月心雙曲線軌道結束時的位置、速度以及第三次變軌的速度增量Δv₃為輸入?yún)?shù)，確定地心橢圓軌道。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于月球天梯的能量最優(yōu)月地轉移軌道設計方法，其特征在于：

在步驟二中所述的“建立轉移方案能量分析模型”，其建立的過程如下：

首先根據(jù)受力分析求得攀爬器在攀爬段消耗的能量，攀爬器在攀爬過程中受到地球引力、月球引力、離心力和牽引力的作用；然后根據(jù)變軌速度增量求得三次變軌消耗的能量。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于月球天梯的能量最優(yōu)月地轉移軌道設計方法，其特征在于：

在步驟三中所述的“建立轉移方案能量優(yōu)化模型”，其建立的過程如下：

首先確定優(yōu)化目標，本發(fā)明的優(yōu)化目標為轉移方案的能量最小；然后確定約束條件，本發(fā)明的約束條件包括高度約束和速度增量約束。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于月球天梯的能量最優(yōu)月地轉移軌道設計方法，其特征在于：

在步驟四中所述的“轉移方案能量優(yōu)化”，其優(yōu)化的方法如下：

先利用遺傳算法進行全局搜索，將遺傳算法的優(yōu)化結果作為擬牛頓法的初值，再用擬牛頓法進行優(yōu)化；這種組合優(yōu)化的特點是不容易陷入局部最優(yōu)解，而且優(yōu)化結果往往比單獨使用遺傳算法更好。