第四百一十一章落月计算和模型
不知不觉中,秦元清已经在开始从绕月轨道到软着陆这个阶段的计算工作量。
首先,是第一阶段的主减速段。
秦元清根据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,并考虑了制导、导航与控制分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。
整个过程,都是一点差错都不能出。实际上在知晓嫦娥三号采用当初秦元清在嫦娥二号所建的模型,秦元清自己都下出了一身冷汗,因为他当初所弄的模型,是根据嫦娥二号以及该火箭进行专门建立的模型,是最优的。可是嫦娥三号,相比起嫦娥二号,是有所变化的,也就是说嫦娥二号的最优方案,并不意味着就是嫦娥三号的最优方案,可以说嫦娥三号取得圆满成功,真的是有运气成分,不过秦元清估计,当初嫦娥三号的落月地点与计算值绝对有不小的偏差。
而这一次嫦娥四号,是要在背面登录,理论上是差不多,但是实际上的难度却是要高一大截,其中一个问题就是信号问题!
在月球的背面,是接收不到地球传来的无线信号的。
当然,为此华夏航天工程也有相应的方案,计划发射一颗嫦娥四号月球探测器的中继卫星,也就是‘鹊桥号’,根据方案该中继星将允许在地月引力平衡点L2点,计划将在5月21日发射升空。
‘鹊桥号’的作用,就是用来保持地球控制中心和嫦娥四号探测器的通信。
当然,因为地月之间距离比较远,是存在着通信一定的延迟问题。这就导致,嫦娥四号探测器在落月阶段,位于地球控制中心的技术人员,无法根据实施情况操控探测器的降落轨道。这完全相当于盲降,所以技术难度比之可以实时操控的降落过程,要难上不止一个档次。
秦元清的计算工作,都是将每一个参数调控到无比精准的。平常生活中,习惯性的保持小数点后2位数,在航天工程就不适用,航天工程讲究的无比准确的,所以秦元清都是将小数点后保持在10位数,以尽可能地减小误差。
有时候不得不说,数学是所有科学中最严谨的,数学家都是一群追求完美的理想主义者。
至于月球背面的降落点,秦元清选择了SPA盆地。SPA盆地是月球上最大的、也是最古老的陨石坑,直径高达2500公里。
同时,SPA盆地深达13公里,是月球上最深的撞击盆地,这意味着当年的撞击事件很可能会挖出月壳深处甚至月幔的物质,这些或将成为人类研究月球内部成分的“钥匙”。
一旦嫦娥四号探测器在这片区域有所发现,那对于华夏完全征服月球的步伐,或许会更加促进一步!
计算工作量完成是第一步,第二步就是构建完整的模型,以便于进行超级计算机模拟。
如果是其他数学家,也许只能完成计算部分,模型就得由其他专业人员完成,可是秦元清不需要,这一方面他也是行家,这就避免了不同人之间,难以理解对方所需要的,所带来的人为误差。
等到秦元清完成了自己所有工作后,已经是一个星期过后了,秦元清起身伸了个懒腰,打了个哈欠。来到秘密基地后,他的工作时间一天16个小时都算是短了,有时候甚至是24小时持续工作。
“秦院士,怎么样?”欧阳院士问道。
“幸不辱命,终于全部搞定!”秦元清将数据盘交给欧阳院士:“接下来超算模拟就交给你们了,我去睡一觉,困死我了!”
昨晚直接通宵,沉浸在工作中还没有觉得,如今工作结束,秦元清就感觉到又累又困的,最想做的就是好好睡一觉。
不说秦元清去房间睡觉,且说欧阳院士拿到数据盘后,第一时间安排进行了超算模拟,作为航天工程,本身就拥有属于航天工程专用的超级计算机。
谷/span结果让欧阳院士极为欣喜的是,整个模拟过程没有出现任何意外。在大屏幕中,可以明显的看到,嫦娥四号探测器在火箭的运送下发射升空,然后进入预定轨道,随后绕地球飞行之后进入地月轨道,随后经过变轨后被月球俘虏,在设定轨道上绕月飞行,随后经过变轨进入落月轨道,随后不断进行变速操控,嫦娥四号探测器最后稳稳地落在SPA盆地的预定着陆点。
连续几次超算模拟,都全部落在了SPA盆地,位置一丝不差。
“果然,请秦院士过来帮忙,是最明智的选择,我们团队一直以来都没搞定的问题,秦院士用了一个星期就搞定!”欧阳院士心中暗自嘀咕着。
实际上在邀请秦元清前来帮忙前,他们团队自然也进行了计算、超算模拟,可是呢结果却并不如人意。
也正是如此,经历一年多的坎坷曲折,一直无法得到让人满意的结果。欧阳院士干脆跟上级申请,邀请秦元清前来帮忙,解决这个难题。
“欧阳院士,您看,包括绕月轨道、地月轨道迁移、绕月轨道、降落点都和我们当初有了不小差别......”一个中年科学家迟疑了一下:“会不会不妥?”
“有什么不妥,就按照秦元清这一套参数和模型来!”欧阳院士没好气地说道:“你们这些小伙子,还怀疑秦院士的能力么!”
有了上次的合作,欧阳院士是很清楚秦元清的能力,更何况这些年,秦元清在学术上取得了突飞猛进的进步,获得了全世界的认可,早早奠定了自己的学术地位。
对于欧阳院士而言,选择相信秦元清就是了。
哪怕是秦元清的计算结果,与超算模拟不一样,欧阳院士也毫无疑问选择秦元清。更何况,超算模拟,都没问题。
至于将参数输入原本的模型,结果不一样,欧阳院士根本就不在意,毕竟那套模型,是秦元清几年前弄的,是针对嫦娥二号。而现在过去这么多年时间,情况都有所变化,难道用新东西去适应旧规则?
哪有这般道理。
“你们这段时间要好好研究,研究为何是这样,人啊,一定要切记,活到老学到老,切勿固步自封!”欧阳院士语重心长地说道。
团队的其他人,听到欧阳院士的话,都不由露出惭愧之色。
“我们在航天工程领域,离美利坚还有比较大的差距,我们一定不能因为现在取得一些成绩,就沾沾自喜,骄傲自满,这是要不得的。我们不是要跟别人比,我们是要不断超越自己,是跟自己比!”欧阳院士说道:“我已经70多岁了,有心无力了,我们华夏航天工程,还得靠你们,一定要始终记得,我们的目标不是美利坚,而是星辰大海!”
航天工程,也是分成各个领域的,他们也只是探月工程部分。
欧阳院士并不愿意看到这些年轻人,骄傲自满,从而固步自封。
秦元清一觉醒来,这一觉就睡了12个小时,醒来才知晓刚刚完成超算模拟,超算模拟并没有出现什么问题,几次超算模拟的结果都是一致的。
秦元清笑了笑,这一切都在他的预料之中,所以秦元清就告辞离开了,当然等到嫦娥四号发射的时候,秦元清还得参加一下,这却是要预防一些意外,好可以及时补救。
不过那时候,秦元清直接在指挥中心即可。
欧阳院士亲自送秦元清离开基地大门,从秘密基地返回水木,都是有特殊部门用专车护送秦元清回去。
虽然睡了12个小时,但是秦元清的精神并不怎么好,一个礼拜的高强度工作,而且还是极度用脑的,现在一结束,整个人都放松下来,精神头就不震。
秦元清跟办公室打了个招呼,暂时休假三天,也刚好是遇到五一,所以秦元清直接在家里休息,至于一些活动,则是由徐嘉忆和其他副校长参加。
秦元清现在,只想好好让自己放松放松,陪陪自己的孩子。也趁着五一假期,带着老婆孩子回老家一趟,毕竟他也有很长时间没有回老家了,也想家了。
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首先,是第一阶段的主减速段。
秦元清根据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,并考虑了制导、导航与控制分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。
整个过程,都是一点差错都不能出。实际上在知晓嫦娥三号采用当初秦元清在嫦娥二号所建的模型,秦元清自己都下出了一身冷汗,因为他当初所弄的模型,是根据嫦娥二号以及该火箭进行专门建立的模型,是最优的。可是嫦娥三号,相比起嫦娥二号,是有所变化的,也就是说嫦娥二号的最优方案,并不意味着就是嫦娥三号的最优方案,可以说嫦娥三号取得圆满成功,真的是有运气成分,不过秦元清估计,当初嫦娥三号的落月地点与计算值绝对有不小的偏差。
而这一次嫦娥四号,是要在背面登录,理论上是差不多,但是实际上的难度却是要高一大截,其中一个问题就是信号问题!
在月球的背面,是接收不到地球传来的无线信号的。
当然,为此华夏航天工程也有相应的方案,计划发射一颗嫦娥四号月球探测器的中继卫星,也就是‘鹊桥号’,根据方案该中继星将允许在地月引力平衡点L2点,计划将在5月21日发射升空。
‘鹊桥号’的作用,就是用来保持地球控制中心和嫦娥四号探测器的通信。
当然,因为地月之间距离比较远,是存在着通信一定的延迟问题。这就导致,嫦娥四号探测器在落月阶段,位于地球控制中心的技术人员,无法根据实施情况操控探测器的降落轨道。这完全相当于盲降,所以技术难度比之可以实时操控的降落过程,要难上不止一个档次。
秦元清的计算工作,都是将每一个参数调控到无比精准的。平常生活中,习惯性的保持小数点后2位数,在航天工程就不适用,航天工程讲究的无比准确的,所以秦元清都是将小数点后保持在10位数,以尽可能地减小误差。
有时候不得不说,数学是所有科学中最严谨的,数学家都是一群追求完美的理想主义者。
至于月球背面的降落点,秦元清选择了SPA盆地。SPA盆地是月球上最大的、也是最古老的陨石坑,直径高达2500公里。
同时,SPA盆地深达13公里,是月球上最深的撞击盆地,这意味着当年的撞击事件很可能会挖出月壳深处甚至月幔的物质,这些或将成为人类研究月球内部成分的“钥匙”。
一旦嫦娥四号探测器在这片区域有所发现,那对于华夏完全征服月球的步伐,或许会更加促进一步!
计算工作量完成是第一步,第二步就是构建完整的模型,以便于进行超级计算机模拟。
如果是其他数学家,也许只能完成计算部分,模型就得由其他专业人员完成,可是秦元清不需要,这一方面他也是行家,这就避免了不同人之间,难以理解对方所需要的,所带来的人为误差。
等到秦元清完成了自己所有工作后,已经是一个星期过后了,秦元清起身伸了个懒腰,打了个哈欠。来到秘密基地后,他的工作时间一天16个小时都算是短了,有时候甚至是24小时持续工作。
“秦院士,怎么样?”欧阳院士问道。
“幸不辱命,终于全部搞定!”秦元清将数据盘交给欧阳院士:“接下来超算模拟就交给你们了,我去睡一觉,困死我了!”
昨晚直接通宵,沉浸在工作中还没有觉得,如今工作结束,秦元清就感觉到又累又困的,最想做的就是好好睡一觉。
不说秦元清去房间睡觉,且说欧阳院士拿到数据盘后,第一时间安排进行了超算模拟,作为航天工程,本身就拥有属于航天工程专用的超级计算机。
谷/span结果让欧阳院士极为欣喜的是,整个模拟过程没有出现任何意外。在大屏幕中,可以明显的看到,嫦娥四号探测器在火箭的运送下发射升空,然后进入预定轨道,随后绕地球飞行之后进入地月轨道,随后经过变轨后被月球俘虏,在设定轨道上绕月飞行,随后经过变轨进入落月轨道,随后不断进行变速操控,嫦娥四号探测器最后稳稳地落在SPA盆地的预定着陆点。
连续几次超算模拟,都全部落在了SPA盆地,位置一丝不差。
“果然,请秦院士过来帮忙,是最明智的选择,我们团队一直以来都没搞定的问题,秦院士用了一个星期就搞定!”欧阳院士心中暗自嘀咕着。
实际上在邀请秦元清前来帮忙前,他们团队自然也进行了计算、超算模拟,可是呢结果却并不如人意。
也正是如此,经历一年多的坎坷曲折,一直无法得到让人满意的结果。欧阳院士干脆跟上级申请,邀请秦元清前来帮忙,解决这个难题。
“欧阳院士,您看,包括绕月轨道、地月轨道迁移、绕月轨道、降落点都和我们当初有了不小差别......”一个中年科学家迟疑了一下:“会不会不妥?”
“有什么不妥,就按照秦元清这一套参数和模型来!”欧阳院士没好气地说道:“你们这些小伙子,还怀疑秦院士的能力么!”
有了上次的合作,欧阳院士是很清楚秦元清的能力,更何况这些年,秦元清在学术上取得了突飞猛进的进步,获得了全世界的认可,早早奠定了自己的学术地位。
对于欧阳院士而言,选择相信秦元清就是了。
哪怕是秦元清的计算结果,与超算模拟不一样,欧阳院士也毫无疑问选择秦元清。更何况,超算模拟,都没问题。
至于将参数输入原本的模型,结果不一样,欧阳院士根本就不在意,毕竟那套模型,是秦元清几年前弄的,是针对嫦娥二号。而现在过去这么多年时间,情况都有所变化,难道用新东西去适应旧规则?
哪有这般道理。
“你们这段时间要好好研究,研究为何是这样,人啊,一定要切记,活到老学到老,切勿固步自封!”欧阳院士语重心长地说道。
团队的其他人,听到欧阳院士的话,都不由露出惭愧之色。
“我们在航天工程领域,离美利坚还有比较大的差距,我们一定不能因为现在取得一些成绩,就沾沾自喜,骄傲自满,这是要不得的。我们不是要跟别人比,我们是要不断超越自己,是跟自己比!”欧阳院士说道:“我已经70多岁了,有心无力了,我们华夏航天工程,还得靠你们,一定要始终记得,我们的目标不是美利坚,而是星辰大海!”
航天工程,也是分成各个领域的,他们也只是探月工程部分。
欧阳院士并不愿意看到这些年轻人,骄傲自满,从而固步自封。
秦元清一觉醒来,这一觉就睡了12个小时,醒来才知晓刚刚完成超算模拟,超算模拟并没有出现什么问题,几次超算模拟的结果都是一致的。
秦元清笑了笑,这一切都在他的预料之中,所以秦元清就告辞离开了,当然等到嫦娥四号发射的时候,秦元清还得参加一下,这却是要预防一些意外,好可以及时补救。
不过那时候,秦元清直接在指挥中心即可。
欧阳院士亲自送秦元清离开基地大门,从秘密基地返回水木,都是有特殊部门用专车护送秦元清回去。
虽然睡了12个小时,但是秦元清的精神并不怎么好,一个礼拜的高强度工作,而且还是极度用脑的,现在一结束,整个人都放松下来,精神头就不震。
秦元清跟办公室打了个招呼,暂时休假三天,也刚好是遇到五一,所以秦元清直接在家里休息,至于一些活动,则是由徐嘉忆和其他副校长参加。
秦元清现在,只想好好让自己放松放松,陪陪自己的孩子。也趁着五一假期,带着老婆孩子回老家一趟,毕竟他也有很长时间没有回老家了,也想家了。
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