全电推进卫星轨道优化的推力同伦解法

全电推进卫星的入轨过程是一个典型的多圈小推力轨道优化问题,由于其推力器加速度小,变轨圈数多,造成其最优理论解的求解较困难。为解决该问题,利用最优控制理论建立了全电推进卫星变轨优化的间接法模型,将变轨优化问题转化为协态变量初值猜测的两点边值问题。从大推力问题开始,通过遗传算法获得大范围猜测值并结合系列二次规划方法获得大推力的精确解。采用推力同伦思想,使用逐渐缩小推力的方式完成小推力问题的求解。仿真算例表明,采用推力同伦的方法,通过数十次的推力缩减即可有效解决多达上百圈变轨的静止轨道全电推进卫星入轨优化问题。     

空间小推力轨道最优Bang-Bang控制的两类延拓解法综述

介绍了空间小推力轨道优化问题中的最优Bang-Bang控制问题,对两类延拓解法给出了描述:第一类解法首先求解能量最优解,然后采用能量–燃耗同伦得到最优Bang-Bang控制;第二类解法引入推力开关切换准则,以双脉冲解作为初解,通过参数延拓得到最优Bang-Bang控制。对两类延拓解法进行了比较,指出了各自的优势与特点。对延拓方法应用于求解更加复杂的小推力轨道设计问题进行了展望,提出了包含初解、延拓与拼接三要素的人工智能轨道优化概念。     

一种小推力借力飞行转移轨道初始设计方法

提出一种基于正弦指数函数的小推力借力飞行转移轨道初始设计方法。建立极坐标形式的正弦指数函数表达式,用于模拟小推力转移轨道,并用绕圈参数和飞行路径角对转移轨道的参数进行表征;在约束条件下对转移轨道参数进行离散化处理,求解转移轨道与目标星投射轨道在参考面内的交点,计算到达目标轨道时刻的极角,进而得出小推力转移轨道的初始设计参数;设计了地球—木星的火星借力小推力转移轨道,仿真结果验证了该方法在小推力转移轨道初始设计中的快速性与准确性。     

基于人工免疫算法的地球-火星小推力转移轨道优化

利用人工免疫算法研究了地球-火星小推力转移轨道优化问题。首先针对地球-火星转移轨道的特点建立系统模型并进行归一化处理;然后通过参数化和罚函数将小推力轨道优化问题转化为非线性规划问题;最后提出一种引导型人工免疫算法(Guiding Artificial Immune Algorithm,GAIA)并对该优化问题进行寻优。仿真算例表明,该算法收敛速度快,寻优精度高,且避免了初值敏感、病态梯度和局部收敛等问题;同时验证了GAIA用于小推力轨道优化的有效性。     

基于间接法的最优小推力逃逸轨道设计

目前,小推力逃逸轨道优化的大部分研究限于平面内逃逸或对发动机模型做无约束简化处理.通过在性能指标中引入一个待定参数,采用间接法将系统两点边值问题的待定参数约束在多维单位球里;同时结合同伦思想和曲线拟合技术,由短时间无约束平面内燃料最优逃逸问题开始,逐步求解长时间有约束平面外燃料最优逃逸问题.数值仿真结果表明该方法收敛性好,能求解复杂逃逸问题,是一种高效的逃逸轨道设计方法.     

基于准流形方法日地系L3点转移轨道设计

针对深空探测中轨道转移时间长且能量消耗较大的问题,提出基于准流形实现从地球停泊轨道到日地系L3点转移轨道的设计方法。在日地限制性三体问题模型下,在L1点或L2点Halo轨道上施加扰动推力,构造准流形,利用其非线性三体动力学特性,通过霍曼转移轨道与近地轨道进行拼接,使航天器进入准流形后能够无动力滑行到L3点附近区域。在准流形与L3点周期轨道交点,施加速度脉冲,使航天器进入相应周期轨道,从而完成轨道转移。仿真结果表明,利用该方法所得结果与基于不变流形的转移轨道相比,能将速度增量从4398m/s减少为4014m/s,并将转移时间从9年以上缩短到7.3年以内,有效地提高了航天器的工作效率。     

横向连续推力小偏心率人工冻结轨道设计

非临界倾角自然冻结轨道要求近地点幅角为90°, 偏心率在1× 10^-3量级, 并且偏心率与轨道倾角和半长轴有特定的对应关系, 苛刻的要求极大地限制了轨道根数选择的多样性. 研究表明, 施加常幅值、方向半轨道周期切换的横向连续小推力可以形成任意轨道根数的小偏心率人工冻结轨道, 放宽自然冻结轨道对轨道根数的严苛限制. 维持小偏心率人工冻结轨道的横向连续推力a_T与半长轴的平方根成正比, 与偏心率大小成反比; 在临界倾角i_c附近, 推力a_T与倾角偏置量Δi近似呈正比, 且长期维持的燃料消耗较小. 此外, 在进行仿真计算时还需考虑拟平均轨道根数与瞬时轨道根数的转换.     

地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析

以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景,针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题,开展了化学-电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先,讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明,在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后,以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格,得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道,构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算,电推进段采用混合法优化。最后,以燃料消耗和转移时间为指标,在搜索域内开展解算分析,研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集,拓宽了解空间,可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。     

小卫星三轴稳定模式下的有限推力轨道转移

由搭载方式发射的小卫星,通常需要变轨才能进入自己的工作轨道。这种变轨一般由小推力发动机执行,传统的冲量变轨方法存在较大局限性。文章研究了在小推力作用下,小卫星由椭圆停泊轨道进入共面圆工作轨道的点火信息求解方法;给出对地定向三轴稳定模式下和俯仰角偏置三轴稳定模式下的变轨控制仿真结果;提供了对任务设计有参考价值的结论。     

平动点周期轨道间小推力转移的Gauss伪谱法

针对三体问题共线平动点附近周期轨道间的小推力转移问题,构造了一种新的形状函数,在此基础上提出了一种基于Gauss伪谱法的优化设计方法.首先,建立小推力轨道转移动力学模型,参考初始轨道和目标轨道的类型,构造一种新的形状函数以近似小推力转移轨道.为满足不同的约束要求,提出了振幅和相位按多项式变化的假设,推导了小推力转移轨道...     

限制性三体问题共线平动点轨道近似解析解

随着深空探测成为航天领域的研究热点,与其密切相关的三体问题基础研究也日益重要,尤其是在深空探测任务设计中处于基础地位的共线平动点附近运动的研究,更是具有重要的工程应用价值。在圆型限制性三体问题下,对共线平动点附近运动近似解析解的研究已经较为全面,但在更接近真实情况、更具一般性的椭圆型限制性三体问题下,相应的研究却相对较少。针对此背景,参考借鉴圆型限制性三体问题的研究方法,首先根据平动点的特性计算出平动点的位置,然后将非线性三体动力学模型在共线平动点处线性化,最后结合线性系统理论,获得了椭圆型限制性三体问题下共线平动点附近运动的近似解析解,并将其与经典的圆型限制性三体问题下的近似解析解进行对比分析,仿真结果证明了方法的有效性,同时也表明所推导的椭圆型限制性三体问题解析解相比圆型限制性三体问题解析解具有更高的精度。     

共线平动点中心流形上的轨道转移问题

圆形限制性三体问题共线平动点附近的平动点轨道由于其独特的动力学特性, 在深空探测任务中有着重要价值, 这些轨道间的轨道转移问题值得进行系统性研究. 针对平动点轨道的计算与延拓, 提出了一种基于数值的系统性计算平动点轨道的方法以及状态伴随法的轨道稳定维持策略. 在此基础上, 通过对大量平动点轨道不变流形以及平动点相空间中心流形的研究, 设计了一套通过脉冲机动实现平动点轨道间轨道转移的系统性解决方案. 该方法充分利用平动点动力学特性, 在仿真验证中证实了方案的有效性, 为平动点轨道转移研究提供了新的思路.     

地月平动点中继应用轨道维持

地月平动点中继应用轨道对于月球背面探测具有十分重要的应用价值,由于地月平动点的不稳定性,必须进行轨道维持。文章研究了真实力模型下月球平动点中继应用轨道的维持。首先,基于限制性三体问题下平动点轨道的运动特性,研究了平动点轨道维持的数学模型与维持策略,提出了平动点轨道维持的连续环绕控制方法,并给出了轨道维持的Halo和Lissajous两种控制方式;其次,充分考虑各天体和光压摄动下,采用数值手段研究了不同幅值的地月平动点周期中继应用轨道的维持间隔与速度增量等。研究结果表明:Lissajous控制方式适用于月球平动点中继应用轨道的维持,在给定测控精度条件下,维持间隔约7.4d,速度增量优于20m/s/a。该方法已经成功应用于我国\"嫦娥2号\"日地平动点任务和\"嫦娥5T1\"地月平动点任务并获得了良好的控制效果,还可直接应用于我国未来\"嫦娥4号\"等月球背面探测任务。     

Low-energy near Earth asteroid capture using Earth flybys and aerobraking

Since the Sun-Earth libration points L₁ and L₂ are regarded as ideal locations for space science missions and candidate gateways for future crewed interplanetary missions, capturing near-Earth asteroids (NEAs) around the Sun-Earth L₁/L₂ points has generated significant interest. Therefore, this paper proposes the concept of coupling together a flyby of the Earth and then capturing small NEAs onto Sun–Earth L₁/L₂ periodic orbits. In this capture strategy, the Sun-Earth circular restricted three-body problem (CRTBP) is used to calculate target Lypaunov orbits and their invariant manifolds. A periapsis map is then employed to determine the required perigee of the Earth flyby. Moreover, depending on the perigee distance of the flyby, Earth flybys with and without aerobraking are investigated to design a transfer trajectory capturing a small NEA from its initial orbit to the stable manifolds associated with Sun-Earth L₁/L₂ periodic orbits. Finally, a global optimization is carried out, based on a detailed design procedure for NEA capture using an Earth flyby. Results show that the NEA capture strategies using an Earth flyby with and without aerobraking both have the potential to be of lower cost in terms of energy requirements than a direct NEA capture strategy without the Earth flyby. Moreover, NEA capture with an Earth flyby also has the potential for a shorter flight time compared to the NEA capture strategy without the Earth flyby.     

一种适用于平动点周期轨道初值计算的简化路径搜索修正法

在限制性三体问题中,路径搜索修正法是一种基于平动点周期轨道垂直穿越Poincare截面的几何对称性计算平面及空间平动点周期轨道近似初值的方法.采用路径搜索修正法的一种简化形式,在圆形限制性三体模型中,对地月系中几种典型的平面及空间周期轨道近似初值进行了计算.结果表明,该简化方法得到的周期轨道近似初值不唯一,由近似初值经微分修正得到的精确结果中通常同时存在Halo轨道和大幅值逆行轨道（DRO）.进一步分析表明,在某些临界初值下,精确结果中Halo轨道将消失,同时可能出现平面Lyapunov轨道及Vertical轨道.上述计算中,搜索初值与结果中轨道类型的对应关系值得进一步研究.     

星际高速公路技术及其在夸父计划中的应用

 简述了星际高速公路技术的物理意义和特征以及中国深空探测的现状和计划,分析了圆型限制性三体问题及其周期和准周期轨道,给出星际高速公路的描述与初步计算,探讨了星际高速公路技术在夸父卫星A轨道设计中的应用,最后分析了该技术在未来深空探测活动中的潜在价值。     

三维引力辅助机理分析

针对星际探测中的引力辅助技术,通过引入两个参数,将平面椭圆型限制性三体模型拓展到三维椭圆型限制性三体模型.通过逆向与正向积分,得到引力辅助前后飞行器的能量和角动量,据此将引力辅助轨道划分为16种类型.深入讨论了这两个参数对轨道类型、轨道能量和轨道倾角的影响,总结出了相应的变化规律.以地月系统为例,针对不同任务要求,给出了通过月球引力辅助,实现地月系统俘获与逃逸的引力辅助参数的选择区域,并对引力辅助参数进行了优化.