基于不同动力引力辅助模型的木星转移轨道设计

针对木星转移轨道设计中动力引力辅助模型选择问题展开了研究。首先,介绍了近心点机动和甩摆后机动2种动力引力辅助模型,给出了2种模型下最优脉冲机动速度增量的解算方法;然后,基于动力引力辅助模型,提出了包含引力辅助的行星际转移轨迹初始设计方法;最后,以木星探测任务转移轨迹设计为例,对比了不同动力引力辅助模型下探测器的燃料消耗情况。仿真结果表明:相比于甩摆后机动方式,近心点轨道机动方式更加节省燃料。基于近心点机动引力辅助模型,最终完成了金星-地球-地球引力辅助序列的木星转移轨迹初始设计,为我国未来采用引力辅助方式的深空探测任务提供了一定的参考。     

国外木星探测任务进展与分析

为了更好地规划我国木星探测任务,文章对国外木星探测任务的发展状况进行了调研分析。对比分析了伽利略号、朱诺号、木星冰月探测者和欧罗巴快帆任务的探测目标,并对上述任务采用的运载火箭、探测轨道与通信系统进行了分析总结。指出未来木星探测任务所需运载火箭地球同步轨道转移能力应在10 t以上,以对木卫展开全面覆盖探测,采用Ka频段作为下行数据载波。在上述分析的基础上,提出了我国木星探测的任务目标和初步规划的建议。     

木星系及行星际飞越探测的多次借力飞行轨道设计研究

根据我国木星系及行星际穿越探测任务规划,瞄准工程方案可行,对使用多次借力的地木转移轨道及行星飞越飞行轨道进行了深入研究分析。首先,对星际飞越目标进行了探讨,明确了满足任务约束的星际飞越目标;其次,对行星际飞行序列进行了优选,从探测器发射日期、发射双曲剩余速度的平方(C3)、深空机动、木星到达C3和总的任务时间角度,对比分析了多个星际飞行序列,给出了最优序列设计结果;最后,基于工程约束,对探测器的连续发射机会进行了优化设计,给出了探测器连续8天、11天和16天发射所需的发射C3和深空机动大小需求。研究结果表明:在2029—2032年期间,木星系及行星际穿越探测任务最优的深空飞行序列为地球-金星-地球-地球-木星-天王星,最优的发射日期集中在2029年10月份。     

先驱者10号重获新生

从1958年10月到1973年4月,美国航宇局为了探测月球、行星际空间和外行星,共发射了11颗先驱者号探测器,其中1972和1973年发射的先驱者10号和11号对木星和土星进行了探测,是最早探测这两颗行星的太空飞行器。先驱者10号是1972年3月2日发射的。它于1973年12月3日从距木星13万公里的地方飞过,进行了所谓的飞越式探测。由于只是路过,而不是进入木星轨道,所以该探测器此后仍一直不停地向前飞行着。目前它距太阳     

木星环绕探测器电源系统设计研究

木星环绕探测任务的规划,对电源系统的设计提出了新的需求和挑战。文章结合木星及木星系环绕探测器任务各个阶段的温度、光照、辐射等空间环境特点,分析了电源方案的设计需求,并调研了以美国伽利略号(Galileo)、朱诺号(Juno)和欧洲木星冰卫星探测器(JUICE)为代表的国外木星环绕探测器的电源系统设计。根据我国的能源和航天技术发展现状,比较了同位素电源和太阳电池阵2种技术路径,提出"太阳电池-蓄电池"是木星环绕探测电源系统的可行方案。最后给出了电源系统的初步设计方案和输出仿真,并通过分析建议在低温低光照太阳电池、宽域电源控制器和太阳电池辐照防护等技术方面针对任务进行适应性改进,以满足木星环绕探测的任务需求。     

低轨星载粒子探测器布局优化研究

基于卫星工具包(STK)、MATLAB软件和国际地磁参考场(IGRF)模型,对粒子探测器在低轨卫星任务中的投掷角测量范围进行了仿真,并给出了其探测器的星上布局优化方法。研究结果表明:粒子探测器的星上布局选择与任务的探测目标相关。如果探测目标是束缚在磁场中作弹跳运动的粒子,应将探测器在朝向卫星轨道坐标系±Y轴的基础上向卫星的前进方向偏转;如果探测目标是处于损失锥中的沉降粒子,应将探测器在朝向卫星轨道坐标系-Y轴的基础上向天顶方向偏转;为实现全投掷角探测范围的探测,要使用多个探测器通过构型布局优化进行联合探测。文章提出的投掷角测量范围分析与优化方法,可推广到多种轨道高度的粒子探测卫星总体设计中,为提升卫星的总体分析设计水平提供支持。     

举世瞩目的土星探测（三）

飞行途中的探测 在飞往土星的途中，“卡西尼”号探测器也有惊人之举，进行了一系列探测，包括对处于火星和木星间小行星带中的小行星、木星。     

发射消息

联合发射联盟公司的字宙神5—551型火箭8月513在卡角空军站发射了NASA“朱诺”木星探测器。探测器由洛马航天公司建造．重约3627公斤．靠3个巨型太阳能电池阵供电。它将在2016年7月初进入绕木星两极运行的大椭圆轨道,对木星大气层、内部构造、成分、巨大的磁场和大红斑等进行一年的探测．     

美国“朱诺”木星探测器将于2011年8月发射

据新华网2011年6月2日消息,NASA喷气推进实验室近日公布,新一代木星探测器——“朱诺”（Ju—no）已完成太阳电池翼等关键系统测试,将于8月发射升空,预计2016年进入木星轨道,在1年多的时间里对木星上大量天然气起源、木星大气结构、地层构造以及磁场进行详细探测。     

木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。     

面向木星卫星交会任务的探测器飞行路径规划

针对探测器在木星系统内多次借力的飞行路径和轨道优化设计问题,提出了一种基于三层优化思想的飞行路径规划方法,该方法可根据给定的任务约束和交会目标,自动搜索探测器在木星系统内的借力飞行序列,同时完成标称飞行轨道的优化设计。首先,文章在给定轨道动力学模型和木卫借力模型基础上,建立了面向木卫交会任务的两次借力飞行轨道优化设计模型和求解方法;然后,采用结合遗传算法、全局遍历和贪婪算法的三层优化设计思路,给出了一种环木飞行路径规划方法;最后,以木星四颗卫星的交会任务为例进行了仿真分析。仿真结果表明：针对木卫的交会任务,探测器速度增量需求随木卫借力次数的增多,呈现先显著减小后逐渐增大的现象;探测器采用多次木卫借力的策略,可显著降低探测器的速度增量需求;探测器速度增量达到最优之后,借力目标收敛于交会目标,且速度增量随借力次数的进一步增多而逐渐增大。     

一类椭圆轨道交会中的动力学方程研究

研究了一类追踪器和目标器轨道半长轴相差不大、轨道面外的距离相差不大的小偏心率椭圆交会的动力学问题.首先选择合适的圆轨道上的点建立参考系,推导出针对圆轨道参考系的无量纲化线性定常方程,并获得相应的相对状态;接着讨论该方程在小偏心椭圆轨道两冲量交会中的应用;最后进行数值仿真,验证动力学方程和制导策略,并与CW方程及制导策略的相关仿真进行比较.仿真结果表明本文给出的动力学方程的精度优于CW方程,能有效解决这类椭圆交会问题.     

空间飞行器动力学模型的动态反馈线性化

本文研究了空间飞行器非线性动力学模型的线性化问题，利用微分几何方法和反馈线性化理论，本文证明了推力方向相对体系不变，即受有“常方向推力”作用限制的空间飞行器的轨道－姿态耦合非线性动力学模型可用二阶动态补偿器／增广状态反馈／增广状态微分同胚变换实现精确线性化，提出了飞行器动态反馈线性化的分步算法，并给出了实现线性化的状态反馈／微分同胚的具体形式，从而将飞行器控制系统设计问题转化为线性系统问题。     

The Use of a Solar Electrojet Propulsion System for Jupiter Satellite Injection

The problem of optimization of the interplanetary trajectory of flight for a multistage spacecraft with high- and low-thrust engines into the Jupiter satellite orbit is considered. Low-thrust engines (stationary plasma engines) are used on a heliocentric flight segment. Their operation is maintained with electric power supply from solar batteries. The principal feasibility of the realization of such a project is shown, and estimations of the mass of a spacecraft placed into Jupiter's satellite orbit are presented.     

一种挠性航天器的对偶四元数姿轨耦合控制方法

为解决复杂的挠性航天器的姿轨控制问题,对于挠性航天器的姿轨耦合动力学建模与控制展开研究。基于对偶四元数原理,推导给出一套挠性航天器的姿轨一体化动力学模型。此种模型能够紧凑描述航天器的轨道和姿态,且能够自动引入航天器平动、转动与挠性附件振动三者之间的关联耦合作用。基于此模型设计了一种自适应位置姿态跟踪控制器,该控制器能够在航天器质量特性参数未知的情况下,对其位置和姿态进行轨迹跟踪控制,并使位置和姿态误差收敛。该自适应控制器还可对航天器上挠性附件对系统的耦合作用进行估计,进而在控制输出中对其进行补偿,提高卫星控制系统的稳定性。通过仿真对控制律进行校验,结果表明该控制律对挠性航天器控制效果良好,具有一定的工程应用参考价值。     

月面软着陆探测器地面力学试验方法研究

月面软着陆探测器的主要任务是携带有效载荷实现在月球表面的安全着陆,其经历的主要过程包括发射段、地月转移段、近月制动段、环月段、着陆段和月面工作段。软着陆探测器面临的月球环境比近地轨道卫星复杂得多。为提高软着陆探测器系统的可靠性,必须进行充分的地面试验,验证软着陆探测器的设计合理性。文章分析了月球软着陆探测器在各飞行过程中面临的力学环境,分析了力学环境对探测器系统的影响及作用效果,提出软着陆探测器需完成的地面力学试验项目,设计相应的试验方法,并给出确定试验量级的基本原则。     

航天器编队飞行动力学模型和精度分析

航天器编队飞行动力学是基于相对轨道动力学方程的研究。文章首先采用动力学和运动学两种方法,推导出相对轨道动力学精确模型。根据是否存在假设和不同假设条件,给出编队飞行四种动力学模型,然后比较这些模型的优缺点,最后以数学仿真结果,对各种动力学模型精度进行分析比较。     

Space patrol: Variants of the optical barrier scheme

Different variants of the space patrol system to be designed for discovering and cataloging space objects hazardous for the Earth have been investigated. The basic idea of this system is to create an optical barrier using the telescopes deployed in a heliocentric orbit. Difficulties (as well as ways of overcoming them) of this program are analyzed, associated with form and position of the orbit of a space object relative to the patrol spacecraft, determination of orbit parameters, and mutual motion of space objects and the telescopes on spacecraft. The barrier’s schemes with scanning vertical or horizontal belts are considered. Some examples of observational conditions are presented for space objects crossing the barrier region: angular positions, velocities, distances, and numbers of days during which they are observed in the barrier region. The barrier’s characteristics are given for telescopes deployed in the orbits of the Earth and Venus.     

NPF算法在X射线脉冲星导航中的应用研究

针对X射线脉冲星导航中航天器模型的强非线性、高阶模型不确定性等问题,提出应用非线性预测滤波(NPF)算法实时估计航天器的轨道信息。首先,建立具有模型不确定性的X射线脉冲星导航定轨指标函数,优化得到满足指标函数最小的系统模型误差值,通过降低模型不确定性的影响来提高航天器自主定轨精度。对STK生成的“火星探路者”和“金星快车”及“北斗一号”三种航天器轨道数据进行分析,仿真结果表明,该算法比EKF算法具有更高的定轨精度,能够满足深空以及近地轨道航天器的自主定轨精度指标要求。     

Broad-search algorithms for the spacecraft trajectory design of Callisto–Ganymede–Io triple flyby sequences from 2024 to 2040, Part I: Heuristic pruning of the search space

Triple flybys of the Galilean moons of Jupiter can capture a spacecraft into orbit about Jupiter or quickly adjust the Jupiter-centered orbit of an already captured spacecraft. Because Callisto does not participate in the Laplace resonance among Ganymede, Europa, and Io, triple flyby sequences involving gravity-assists of Callisto, Ganymede, and Io occur only aperiodically for limited time windows. An exhaustive search of triple-flyby trajectories over a 16-year period from 2024 to 2040 using “blind” searching would require 8,415,358 Lambert function calls to find only 127,289 possible triple flyby trajectories. Because most of these Lambert function calls would not converge to feasible solutions, it is much more efficient to prune the solution space using a heuristic algorithm and then direct a much smaller number of Lambert function calls to find feasible triple flyby solutions. The novel “Phase Angle Pruning Heuristic” is derived and used to reduce the search space by 99%.