航天器空间交会过程综合变轨策略研究

文章研究了空间交会远程导引阶段综合变轨问题的变轨策略方法和实用理论模型。文章首先简要描述了综合变轨的技术条件和策略方法 ;然后重点建立了多脉冲综合变轨的轨道动力学模型 ,并给出了数值求解方法 ;最后用自行开发的仿真程序进行了远程导引多脉冲综合变轨的算例仿真。仿真结果表明 ,该模型和算法具有工程实用性     

气动力辅助椭圆轨道转移技术研究

研究了两种共面椭圆轨道最优转移方法--基于单纯推力的双脉冲对称转移和基于气动力辅助变轨技术的协同机动方法。推导了双脉冲对称转移问题中转移椭圆轨道的求解公式,采用遗传算法求解最优变轨点位置,给出了变轨脉冲的计算方法。将气动力辅助对称转移过程分为3段：真空飞行段、大气飞行段、真空飞行段。以能量最小为性能指标,将大气飞行段轨迹优化问题转化为标准最优控制问题模型,并利用Gauss伪谱法进行求解,得到“巡航+滑行+巡航+滑行”的大气最优飞行轨迹。最后对两种转移方法进行详细比较,指出初始椭圆轨道近地点越接近大气层,气动力辅助对称转移方法比双脉冲对称转移方法越节省能量。     

航天器轨道交会迭代制导算法

针对航天器轨道交会的脉冲推力模型与实际发动机连续推力模型不相符的问题,研究一种脉冲变轨策略的工程实现方法,使脉冲变轨策略可应用于工程实际.基于Lambert飞行时间定理和遗传算法,研究航天器最优脉冲变轨策略.根据脉冲变轨优化的结果,采用迭代制导算法研究脉冲变轨工程化问题.仿真结果验证了迭代制导算法在航天器轨道交会中的有效性.     

基于引导型人工免疫算法的最优Lambert变轨

主要研究了燃料最省的Lambert双脉冲变轨问题.首先对普适变量法进行改进以避免奇异,并将其用于Lambert双脉冲变轨问题的求解.然后针对只给定初始时刻追踪航天器和目标航天器的轨道要素及总时间约束的交会问题,引入调相时间的概念,并将其和转移时间作为Lambert变轨的优化变量.最后采用引导型人工免疫算法GAIA(Guiding Artificial Im-mune Algorithm)对该优化问题进行寻优.仿真算例表明,与自适应遗传算法AGA(Adaptive Ge-netic Algorithm)相比,GAIA具有更强的寻优能力和更快的寻优速度,从而验证了GAIA用于最优Lambert变轨的有效性.     

气动辅助异面变轨在多碎片清除中的应用分析

碎片清除飞行器异面变轨需要消耗大量燃料.从气动辅助异面变轨优化设计及被清除碎片轨道高度差值、倾角差值等参数对变轨性能的影响出发,比较分析了优化气动辅助异面变轨与双脉冲霍曼轨道转移的燃料节约量,研究了不同轨道高度差对于实施气动辅助变轨燃料节约量的影响.当地球静止轨道（GEO）与低地轨道（LEO）间气动辅助变轨优化速度增量约为1.55km·s-1、质量面积比172kg·m-2、比冲310s、轨道倾角变化16°时,燃料节约率约为45%.对比研究了不同轨道高度差LEO轨道间实施气动辅助变轨的燃料节约情况.结果表明:随着轨道高度的增加,气动辅助优化效率逐渐降低;在相同高度轨道间实施异面变轨,随着轨道倾角的增加,气动辅助变轨燃料节约率先增大后减小,倾角改变量约为20°时,燃料节约率最大;当轨道倾角为5°时,采用气动辅助变轨和双脉冲变轨的燃料消耗量相同.      

基于粒子群算法的多脉冲转移轨迹优化

通过引入Lambert算法处理终端约束条件,建立基于可行解迭代的多脉冲转移轨迹优化模型,采用粒子群算法优化最省燃料转移轨道,并对分别采用变轨点真近点角和变轨时刻作为设计变量的优化结果进行了对比分析.对相同的两脉冲、三脉冲轨道转移问题,优化结果验证了提出的优化模型和优化算法的正确高效性.仿真表明,使用变轨点真近点角为设计变量时优化效率和结果更好.     

平面引力辅助中施加脉冲的最优位置

在引力辅助过程中施加脉冲可以改善变轨效果。虽然轨道设计中一般将施加脉冲的位置设置在轨道的近拱点,但是并没有研究表明近拱点是施加脉冲的最优位置。为了研究平面引力辅助中施加单次共面脉冲的最优位置,首先采用6个参数对变轨过程进行描述,其中3个参数表征平面引力辅助、2个参数表征脉冲的大小与方向、1个参数表征施加脉冲的位置。然后将航天器的状态向量表示成参数的函数,进而求出变轨之后航天器的能量变化。研究施加脉冲的位置对航天器能量的影响,结果表明最优位置一般并不是近拱点,在最优位置施加脉冲比在近拱点有时可高效20%以上。      

弹道导弹在被动段轴向加速变轨弹道设计与优化

针对在被动段脉冲发动机轴向加速变轨突防弹道计算建立了飞行动力模型,通过弹道仿真计算分析了脉冲发动机点火时间和脉冲发动机工作时间对弹道的影响.脉冲发动机总冲一定时,短时间-大推力模式下导弹的射程最大.在爬升段点火时,短时间-大推力导弹能量利用最高;在下降段点火时,长时间-小推力能量利用率最高.同时提出了脉冲轴向加速变轨突防弹道优化的约束条件,并对该问题进行了优化计算,优化后的发动机质量比优化前减少了24.87%.     

航天器交会中的Lambert问题

应用Lagrange转移时间方程研究空间交会中的Lambert问题,包括经典Lambert问题(飞行弧段不足一圈的椭圆型轨道转移)与多圈Lambert问题(飞行圈数超过一圈的轨道转移),阐述转移轨道的几何特性与转移轨道类型,分析转移时间与转移轨道参数及变轨速度增量之间的关系。对航天器交会中常用的圆轨道之间的双冲量转移,给定转移角与转移时间,阐述最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法,提出满足最小变轨速度增量要求的轨道转移的图解法。对给定的初始分离角与交会时间,按最小变轨速度增量要求,确定航天器交会的初始漂移时间、双冲量轨道转移时间与终端停泊时间。     

基于自适应模拟退火遗传算法的最优Lambert转移

主要研究了航天器采用Lambert二脉冲变轨的优化问题。对于初始位置、目标位置和转移时间都不固定的Lambert二脉冲转移,由于多变量以及方程本身的复杂性,采用传统的优化方法效率低甚至无法求解.采用了自适应遗传算法(AGA),寻求多变量的最优解.同时结合模拟退火算法,得到了自适应模拟退火遗传算法(ASAGA),该算法既具有全局搜索能力,又改善了一般遗传算法的局部寻优能力.通过仿真,比较了遗传算法和自适应模拟退火遗传算法的寻优结果,表明两者寻求最优转移的有效性,以及自适应模拟退火算法具有更强的寻优能力.      

多冲量近圆轨道交会的部分变量瞄准法

交会对接是空间站任务中一项非常重要的技术。基于C—W方程,推导了用直角坐标和轨道根数描述的远程导引段多冲量变轨段策略的方程,同时给出了求解方程组的迭代算法。随着冲量的施加,剩下的变轨量不足以瞄准交会时刻目标的全部状态时,给出了瞄准部分变量的方法。通过算例验证发现,存在定轨误差的情况下,部分变量瞄准法能精确地瞄准任务所关心的变量。     

Trajectory optimization of multiple asteroids exploration with asteroid 2010TK7 as main target

In this study, the Earth’s Trojan asteroid 2010 TK₇ is selected as the rendezvous target. The multiple flyby sequence of asteroid exploration was proposed by optimizing the probe’s orbit. Impulsive maneuvers and low-thrust propulsion were used respectively to design the trajectories of the multiple asteroids exploration mission. Under impulsive maneuvers, gravity assist technique was adopted to reduce fuel consumption. First a reference orbit with only 2010 TK₇ as the rendezvous target was designed. Then five asteroids near the reference orbit were selected as candidates. Finally, we obtained a multiple asteroids exploration sequence of three asteroids based on gravity assist technique and genetic algorithm, and an additional velocity impulse of 0.4?km/s was required. In the subsequent section, a sixth-degree inverse polynomial shape-based method is applied to the low-thrust trajectory design of 2010 TK₇, and the exploration sequence under the action of low-thrust propulsion was provided.     

FDTD-Diakoptics算法中的时域模技术

 通过采用时域模技术,FDTD-Diakoptics算法可以用来有效准确地分析复杂的微波集成电路.根据电路的几何结构选定时域模函数,以该时域模函数为基础,建立微波电路的多模电路模型,使用全波时域分析方法求解多模电路对应于各个时域模的时域响应,使用傅里叶变换技术计算时域模函数的冲击响应,从而进一步得到多端口网络模型,使用FDTD-Diakoptics算法对微波电路进行分析.讨论了全波时域方法求解时域模函数时域响应时激励函数的选取原则,讨论了用傅里叶反变换求解时域模函数冲击响应时频带宽度的选取问题.最后本方法被应用于波导滤波器的分析设计.     

空间交会对接双脉冲最优控制

首先利用交会对接固有动力学特性,施加第一脉冲推力使追踪器自动到达目标器位置;第二脉冲推力使两个飞行器相对速度降为零。这种控制称为双脉冲。该文根据双脉冲控制原理寻找燃料消耗最省的交会对接时间,最后还进行了大量数学仿真,比较各种初始条件下交会对接动力学特性和燃料消耗。     

近圆轨道卫星编队捕获技术研究

基于近圆参考轨道的假设,研究处于同一入轨点多颗卫星的编队捕获方法.首先由高斯型拉格朗日轨道摄动运动方程得到轨道坐标系中控制冲量与轨道根数偏差的关系,基于近圆轨道的条件简化并带入相对运动方程,得到控制冲量与相对运动的关系表达式;通过深入分析各个方向(径向、沿迹向与轨道面法向)的控制冲量对相对运动的影响,给出了分别用径向与轨道面法向控制冲量组合和沿迹向与轨道面法向控制冲量组合实现编队捕获的两种控制策略;最后给出了一个空间圆编队捕获实例,并从燃料消耗、施加冲量次数及捕获时间等角度对比研究了两种控制策略的特点.仿真结果表明,这两种控制策略简单、实用,能够较好地解决近圆轨道卫星编队的捕获问题.      

Ionospheric electron heating by a rocket borne electron accelerator

A “mother-daughter” rocket code-named “Electron 2” was launched from And?ya, Northern Norway in November, 1978. The “daughter”, carrying a 10 keV electron accelerator, was separated from the “mother” payload with a speed of 0.4 m/s. A series of plasma diagnostic instruments were included on the “mother” to study effects produced by the interaction between the electron beam and the ionospheric plasma. Results obtained by two different plasma probes are presented. It was found that pronounced changes in the ambient electron population took place in regions penetrated by the electron beam. Estimates of the dimensions of the disturbed region are presented.     

基于三体系统平动点轨道的环日全景任务轨道设计

在空间开展太阳观测是研究太阳活动周、太阳爆发、极端天气等事件起源的重要手段。环日全景探测计划是为实现从黄道面360°全方位观察太阳行星际空间而提出的。本文针对环日全景探测计划,构建了基于三体系统平动点低能量轨道的环日全景轨道部署方法。该方法以日–地L1/L2点Halo轨道幅值及Halo轨道离轨点为变量,以转移轨道飞行时间、入轨机动大小为评价指标,基于三体系统不变流形构建环日全景的转移轨道,并开展轨道优化设计。采用等高线图对设计变量及任务成本进行全局分析。仿真计算表明,轨道部署无法同时满足飞行时间最短与入轨机动最小的要求。设计了轨道机动约束条件下的最优飞行时间解,并给出了基于长三甲运载火箭的一箭双星发射及入轨方案。      

Hybrid optimization for multiple-impulse reconfiguration trajectories of satellite formation flying

A hybrid optimization method is developed for fuel-optimal reconfigurations of a group of satellites flying in formation. The genetic algorithm performs a global search to find two-impulse trajectories, and primer vector analysis finds multiple-impulsive local optimal trajectories with the two-impulse trajectories as initial guesses. Hybrid optimization finds globally optimal trajectories for formation reconfigurations, including formation resizing, reassignment and reorientation maneuvers. Multiple-impulse trajectories reduce the fuel consumption from the two-impulse trajectories by up to 4.4% for those maneuvers. In real missions, satellites can follow two-impulse trajectories to gain the advantage of a smaller number of impulses, with the cost of slightly more propellant. The qualitative characteristics of the optimal trajectories are analyzed from the number of optimal trajectories found by hybrid optimization.     

过失速飞机最速指向目标机动研究

基于飞机质点动力学模型建立了指向活动目标的终端条件,并进行最速指向机动动作的数值优化,其中用共轭梯度法寻优,用罚函数处理约束条件.计算结果表明,优化可以指导寻找对应于不同战术要求的有利机动过程;在近距空战中,具有快速改变航迹方向并进入过失速超大迎角机动的能力非常有利于快速指向目标、争取首攻机会,而改变航迹方向倾向于使用最大升力区迎角.