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第三百七十三章 落月【求订阅!】


  第三百七十三章

  顾律先一步运算的是嫦娥四号探测器的运行轨道。

  因为这个相对来说较为简单。

  打开电脑上的MATLIB,顾律开始紧张忙碌的工作。

  嫦娥四号探测器的轨道可以被简单分为三部分。

  第一部分是地月转移阶段。

  这一阶段是在地球上,将嫦娥四号探测器由长征运载火箭发射升空,使探测器离开地球轨道,向月球飞行,实现地月转移。

  顾律录入了一系列的参数,很快的得出了嫦娥四号探测器在这一阶段的运行轨道。

  接着,便是探测器不断向月球附近运行。

  当探测器抵达预定轨道后,完成近月制动。

  所谓的近月制动,就是给在地月转移轨道高速飞行的卫星减缓速度,完成“太空刹车减速”,建立正常姿态,被月球的引力所吸引,进行环月飞行。

  因为当探测器飞行到月球附近时,它相对月球的速度要大于月球2.38公里/秒的逃逸速度,如果不减速,探测器将飞离月球。

  要实现绕月飞行的话,必须进行制动,要刹一下车,将飞行速度降低到月球逃逸速度以内,从而被月球引力捕获。

  近月制动是卫星或探测器飞行过程中最关键的一次轨道控制。

  这一部分需要顾律做的东西,就要比地月转移阶段要麻烦很多。

  第一点,就是顾律必须要确定在近月制动过程中制动量的多少。

  虽然说,制动量过小的话,探测器会直接飞离月球。

  但一旦制动量过大的话,那后果会更加严重。

  因为探测器会直接撞击向月球!

  所以,需要顾律去准确的衡量好其中的一个度。

  幸好,他们这个项目是嫦娥四号探月项目,而不是嫦娥一号。

  顾律有很多经验可以借鉴。

  顾律抽过一摞草稿纸,在上面写写画画。

  得出一串数据后,顾律利用MATLIB建立模型模拟。

  而后,顾律得出一个结果。

  “7500N发动机!”

  顾律在草稿纸上将这个数字圈起来。

  在顾律的缜密计算后,得出整个近月制动的全过程:

  在嫦娥四号探测器距离月球850公里时,开始近月制动。

  近月制动采用7500N变推力发动机。

  近月制动过程将持续290秒。

  制动完成后,嫦娥四号探测器将被月球捕获,成功进入100km*400km环月椭圆轨道。

  这就是整个近月制动的过程。

  这一过程并不复杂,简单来说就是将探测器减速并推进预设轨道。

  顾律在电脑上模拟了一遍,将整个轨道图绘制下来。

  第三个阶段,绕月飞行。

  绕月飞行环节是最简单的一个部分,指的是嫦娥四号探测器在环绕100km*400km环月椭圆轨道运行的过程。

  该环月椭圆轨道的近月点是100公里,远月点是400公里。

  只需要明确这两个数据,绘制简单的轨道图就OK了。

  这部分工作简单到只要稍微有点高中物理基础的人都可以轻松做到。

  那么,到目前为止,顾律第一大部分的工作算是基本完成了。

  嫦娥四号探测器从地球升空后,直至进入环月椭圆轨道,整个的运行轨道被顾律轻松绘制出来。

  其实,这部分的工作根本不需要出手。

  吴征随便找个数学家,甚至找个稍微懂点物理的博士生过来,都可以轻松把这张轨道图轻松画出来。

  这部分内容的工作,只是顺带的而已。

  真正需要顾律费不少功夫去弄的,是整个落月阶段各项参数和轨道的设置。

  …………

  落月阶段,指的是探测器从环月椭圆轨道降落到月球表面的过程。

  同样是整个探月计划最核心,难度最高的环节。

  在最开始,嫦娥四号探测器应该是在近月点为100公里,远月点为400公里的环月椭圆轨道上进行环月飞行。

  然后实施降轨控制,使嫦娥四号探测器进入近月点高度约15公里、远月点高度约100公里的预定月球背面着陆准备轨道。

  这只是一个开始。

  在嫦娥四号进入着陆准备轨道后,需要在月球背面的近月点进行动力下降。

  整个动力下降过程又会分为6个阶段,分别是主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段。

  六个阶段,那就意味着需要六套不同的系统参数。

  顾律需要一个个来计算。

  这需要相当庞大的计算工作量。

  顾律轻叹了口气,活动活动了手指,握紧笔开始工作。

  首先,是第一阶段的主减速段。

  顾律根据吴征提供数据中的嫦娥四号构型特点,在此基础上建立了小型月球探测器的导航、制导与控制系统(简称GNC系统)工作模型和质心、姿态动力学模型。

  模型中考虑了各个发动机推力偏心、偏斜产生的影响,并考虑了GNC系统离散的工作特性。

  然后,对末端水平速度约束条件下的主减速段制导律进行了研究。

  利用开普勒轨道的轨道参数与末端运动参数的对应关系,将末端运动参数约束转化为轨道参数约束,从而将轨迹规划问题转化为有限推力变轨问题,进而通过最小二乘修正方法得到制导律。

  接下来,对末端高度约束条件下的主减速段制导律进行了研究。

  随后,建立制导惯性极坐标系下的动力学方程,将目标约束量作为状态量,使用伪谱法可以方便地求出一些参数的数值。

  在此基础上,针对给定发动机的配置,研究了主减速段航程的取值范围,并研究该范围内的轨道特性,以四元数作为参数,并引入偏差四元数,构造拟欧拉角以消除目标姿态的双值性,并利用摄动双积分系统的时间最优控制设计了姿态控制,尝试得出一个最优控制解。

  这样,关于主减速段的数据便全部得出来了。

  什么时候进入这一阶段,发动力采用多大的动力,推力角度是多少度,制动时间是多久。

  这些数值在顾律通过复杂的计算后全部得出。

  然而,这是个六个阶段中的第一阶段。

  这就用去了顾律一个多小时的时间。

  后面还有另外五个阶段,同样是相当的复杂。

  “继续肝吧!”

  顾律抬头瞅了一眼挂表上的时间,已经是晚上七点多。

  顾律没有去吃晚饭的心思,直接磕了一瓶疲劳药剂后,继续开始接着肝。

  按照目前这个速度,他恐怕是要通宵了。

  


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