深空探测原理

深空探测
一、深空Biblioteka Baidu测基本原理
深空探测是脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测。深空探测首先是要使航天器能到达要探测的深空位置，要使航天器到达探测的深空位置就应该为其设定运动轨道分析其运动过程，分析其运动过程为：定义坐标系圆、推导运动方程、条件简化、设定初始条件、误差分析、验证模型。对于航天器绕地球运动的二体运动方程基于两个假设：1、只有两个物体——航天器和地球，1、地球的引力是作用在航天器上的唯一的力。用于深空探测的以太阳为中心的黄道坐标系：原点——太阳；基准平面——黄道面；主方向——春分点方向。深空探测是涉及四个独立的星体：航天器、地球、太阳、目的星体。因为四体问题难于求解，所以利用圆锥曲线拼接法将它分解为三个二体问题求解。在每一个区域里，只考虑一个星体对航天器的引力作用。在每一个区域里，只考虑一个星体对航天器的引力作用。通过在没一个时间段内求解一个二体问题把一个圆锥拼接到另一个圆锥曲线轨迹上，这就是圆锥曲线拼接法。一个星体的的引力作用仅仅在一定的空间范围内有效，成为物体的“引力球”——SOI,在这个区域内，该星体的引力起主导作用。其大小取决于星体的质量和星体与太阳之间的距离。地球的影响球大约延伸1000000km。
到达目标行星，航天器沿着双曲线轨迹到达目标行星。航天器位于影响球处相对于目标行星的速度是V∞target,航天器沿着双曲线到达轨迹从影响球处进入圆形、停泊轨迹。为了进入环绕目标行星运行的圆形、停泊轨道，航天器执行点火获得△Vretro。实际上，一个航天器在环绕地球运行的停泊轨道上开始星际转移，并结束于环绕目标行星运行的最终任务轨道上。为了在两个轨道之间进行转移，必须两次点火火箭发动机，以便两次获得速度改变量。火箭为航天任务提供的总速度该变量为△Vboost△Vretro之和。△Vmisson=△Vboost+△Vretro。星际转移的飞行时间大约为转移椭圆周期的一半。TOF= 。TOF为航天器的飞行时间，a为椭圆转移轨道的半圆常，μ为太阳的引力常数。为了使航天器到达时，目标行星也已经等候在那，必须考虑目标行星的位置。等待时间=（φfinal-φinitial）/（ωMars-ωEarth）,两个目标行星的会合周期是连续两次发射机会之间的时间（间隔）。引力辅助轨迹是允许航天器“免费”获得速度变化，也就是借助于行星的引力改变航天器的轨迹。
锥曲线拼接法将星际转移分成三个区域，所涉及相关的问题为：1、从地球到目标行星。这是一个以太阳为中心的转移过程，它沿着椭圆轨迹从地球到达目标行星。首先，忽略地球和目标行星的引力；然后，考察航天器从地球环绕太阳的轨道到目标行星环绕太阳的轨道这个过程中的星际间轨迹。假设航天器星际旅行开始和结束的时候都是在圆轨道上。为了进入以太阳为中心的黄道转移轨道，航天器相当于太阳的速度必须是Vtransferat Earth。为了达到这个速度，当前它以太阳为中心的速度为VEarth，这个速度必须获得一个改变量V∞Earth,从转移轨道进入目标行星轨道，需要的速度改变量为V∞Targetj。转移轨道的能量和半径计算公式为： 2 ， =-μ/2a。为了使速度的方向有很好的一致性，设计者必须确保航天器在地球前方离开地球引力球。为了到达一个外太空的目标行星球上，设计者必须确保航天器在目标行星引力影响球之前到达，这样目标行星才能追上航天器并捕获它。对于目标行星比地球更靠近太阳的情况，航天器就必须在目标行星的引力影响球之后到达，因为它的速度比目标行星的快。
从地球启程，航天器沿着双曲线轨迹离开地球（引力影响）区域。假设地球的引力是作用在航天器上唯一的引力，并且利用地心赤道坐标系来描述航天器的运动。因为技术原因以及操控因素，一个星际探测器不可能从发射地点直接到达它的转移轨道上。实际上，运载工具首先将它发射到靠近地球的一个圆形停泊轨道上。这就是给了地面控制者时间来检查所有的系统并等待恰当的时刻来点燃末端火箭。为了开始星际，在影响球处航天器需要相对地球的速度为V∞Earth它获得这一速度，△Vboost将它从圆形、停泊轨道的速度变成沿着曲线启程轨迹运行的速度。通常为了获得这个速度改变需要一个附加的顶端装置包含：火箭发动机、燃料箱、机导航系统。只有一次火箭发动机点火使得航天器离开地球的引力影响球进入太阳为中心的转移轨道上。