基于多目标遗传算法的太阳高纬探测器轨道设计

针对太阳高纬度探测器轨道设计任务要求, 研究了基于多目标遗传算法的小推力借力飞行轨道设计方法. 基于圆锥曲线拼接假设, 将探测器轨道分为小推力日心转移轨道段和木星借力飞行轨道段两部分. 在日心转移轨道段, 选择燃料最省为优化目标, 采用标称轨道法设计小推力的推力控制率. 在借力飞行轨道段, 选择借力后日心轨道倾角为优化目标, 对借力飞行的关键参数进行分析. 采用多目标遗传算法对该多目标进行了优化. 结果表明, 多目标遗传算法可以有效地解决轨道设计中的多目标优化问题. 优化得到的小推力控制率不仅可以节省发射能量, 还可以保证借力飞行后探测器能够进入太阳高纬度探测轨道.      

太阳中纬度探测共振借力轨道设计

针对太阳中纬度探测任务,设计了共振借力轨道方案.根据离开超越速度的解析表达式得到借力后日心轨道的可行集并将结论推广到任意借力行星.进而提出RRpInc图形化设计方法,通过RRpInc图分析得到共振借力的超越速度大小直接决定了最终轨道倾角.以共振借力行星作为目标星体设计借力转移轨道,以逃逸速度和到达超速作为性能指标,采用多目标优化算法优化.给出了两个设计方案:方案1选择金星作为共振借力行星,探测器通过“金星-地球-地球”借力飞行增加金星共振借力前的超越速度;方案2选择地球为共振借力行星,探测器在木星借力后返回地球共振借力.两个方案最终轨道倾角分别约为30°和35 °.     

太阳中纬度探测共振借力轨道设计

针对太阳中纬度探测任务,设计了共振借力轨道方案.根据离开超越速度的解析表达式得到借力后日心轨道的可行集并将结论推广到任意借力行星.进而提出RRpInc图形化设计方法,通过RRpInc图分析得到共振借力的超越速度大小直接决定了最终轨道倾角.以共振借力行星作为目标星体设计借力转移轨道,以逃逸速度和到达超速作为性能指标,采用多目标优化算法优化.给出了两个设计方案:方案1选择金星作为共振借力行星,探测器通过"金星-地球-地球"借力飞行增加金星共振借力前的超越速度;方案2选择地球为共振借力行星,探测器在木星借力后返回地球共振借力.两个方案最终轨道倾角分别约为30°和35°.     

附加深空机动的借力飞行全局优化

借力飞行轨道设计是一个多变量强约束的非线性优化问题, 初始方案通常采用不需要初值猜测的全局优化算法进行优化, 但是借力点处的C3匹配原则等较强的约束条件极大影响了全局算法的收敛性能. 针对这一问题, 研究了附加深空机动的借力飞行模型, 在借力点处引入B平面和辅助转角, 推导了离开超越速度的解析表达式, 通过求解Lambert问题和轨道递推得到日心转移段的深空机动脉冲. 利用微分进化算法对问题进行优化, 结合木星探测算例, 对VEE (Venus-Earth-Earth), VEME (Venus-Earth-Mars-Earth)和VEVE (Venus-Earth-Venus-Earth)三种深空机动借力飞行方案进行优化, 给出了优化结果.      

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。     

从日地系统L2出发借力月球飞越近地小行星

对于停留在日地系统L2的“嫦娥2号”探测器,其后续飞行方案有多个选项,例如主动撞月或重返月球轨道、返回地球轨道或再入大气、飞往地月系统L1/L2或日地系统L1、进入深空飞越近地小行星(最终,“嫦娥2号”于2012年12月13日成功地实现了对Toutatis小行星的近距离飞越)。探讨上述的飞行方案需要对飞行轨道进行初步设计,总的速度脉冲限制在100 m/s以内并且需要考虑探测器同时受到太阳、地球、月球的引力作用。本研究设计了探测器从日地系统L2出发借力月球实现Toutatis小行星飞越的飞行方案,与直接飞越方案相比,借力月球可以进一步节省探测器的燃料消耗,其等效速度脉冲设计值为58.47 m/s。     

“贝皮·科伦布”完成地球借力飞行

正4月10日,欧空局的"贝皮·科伦布"水星探测器成功完成了一次地球借力飞行,使其能够继续向其探测目的地行进。探测器在本次飞越过程中与地球的最近距离为12693公里。按计划,它将在今年10月和明年8月进行两次类似的金星借力飞行,之后再做6次水星借力飞行,在2025年12月最终进入绕水星运行的轨道。     

木星系探测及行星穿越任务轨迹初步设计

基于我国未来木星系探测任务需求,初步设计了任务轨迹。以目前的发射能力,要实现木星的环绕探测必将利用行星借力,需设计借力轨迹。首先将脉冲变轨的轨迹设计问题转化为参数优化问题,在满足2029—2032年间发射并且飞行时间不超过7年的约束条件下,使用PSO算法对发射时刻、借力时刻、深空机动时刻、到达时刻等参数进行优化,使得探测器需提供的总速度增量最小。探测器进入木星系后,利用木卫3借力捕获至环木大椭圆轨道,又利用木卫4构造共振借力,最终捕获至木卫4的环绕轨道。在此基础上,还考虑了天王星飞越的拓展任务,天王星探测器在到达木星时与木星系探测器分离,利用木星借力可无消耗飞往天王星,并在2043年完成天王星的飞越探测任务。     

结合深空机动的多次行星借力轨道设计

行星借力技术是减小星际探测任务发射能量的有效途径,传统的行星借力模型不能保证探测器借力前后的速度矢量转角达到理想要求。为此,进行了行星借力建模,并基于该模型,推导了探测器飞出借力天体影响球的双曲线超速矢量。针对轨道设计参数的强耦合性,提出了一种全局-局部混合搜索算法,并对地球-金星-地球-火星-木星转移轨道进行了设计。仿真结果验证了轨道模型的正确性和有效性,表明该文方法可以有效地对多次行星借力轨道进行设计。     

月地转移轨道快速设计方法

月地转移轨道设计一般分为初步轨道设计和精确轨道设计.其中,初步轨道设计的准确性是确保后续精确轨道设计收敛的关键.提出了一种基于Lambert算法的月地转移轨道快速设计方法.以出月球影响球的时刻、位置和速度为中间变量,将轨道分为地心段和月心段分别进行计算.将探测器飞出月球影响球至指定再入点的地心段轨道简化为一个Lambert问题进行求解,提出了通过牛顿迭代法求解月地转移轨道Lambert问题的方法,避免了Lambert问题求解时大量的超几何函数和级数计算,提高了计算效率.在月心段轨道的快速计算中,提出了根据探测器出影响球速度矢量、月球停泊轨道倾角和近月点高度计算月心双曲线轨道根数的新方法.通过迭代计算,使得两段轨道在月球影响球处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束的双二体月地转移轨道.该方法计算速度快,精度相对较高.计算结果可以作为后续精确轨道设计的初值.      

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.     

火星探测转移轨道初始设计与分析

根据推进方式和是否采用金星借力,火星转移轨道分为大推力直接转移轨道、大推力金星借力转移轨道、小推力直接转移轨道和小推力金星借力转移轨道4类。传统的轨道设计方法只是针对某一类特定的转移方案进行轨道优化,而并未针对不同的转移方案进行详细对比分析。文章以2020/2022年发射窗口为例,针对4类基本火星转移轨道进行研究。首先,基于不同轨道初始设计方法,对4类轨道进行了初始设计,得到了每类转移方案的能量最优转移轨道。然后,基于设计结果和能耗对4类转移方案进行了横向对比分析,得到了不同策略下的转移轨道的特性。基于小推力的火星探测任务轨道对发射能量要求低;大推力直接转移和借力金星的发射窗口交替分布,可以互为备份;基于小推力推进的探测器采用金星借力转移策略相比直接转移能够减少10%的能耗,优势十分明显。     

太阳高纬探测器的借力飞行轨道设计

行星借力飞行技术可以节省深空探测任务的能量消耗.针对借助内行星引力向太阳高纬度发射探测器这一科学任务,分别以金星和地球为借力星体,运用圆锥曲线拼接法,通过求解兰伯特问题绘制能量等高线图,搜索多天体交会发射机会,设计探测器与借力体轨道周期之比为1∶ 1或2∶ 3的多次借力行星际轨道,获得相对黄道面成大倾角的目标轨道.分析表明,采用多天体交会借力相比单天体借力可大大降低发射能量;3次借用金星或者地球的引力可以使探测器轨道相对黄道面的倾角达到30°左右;3次地球借力轨道性能为最优,需要的地球发射能量更低,而且飞行器进入目标轨道之前的转移时间较短.      

目标飞行器交会对接轨道的设计和控制

根据目标飞行器轨道高度和追踪飞行器入轨轨道高度,给出了目标飞行器交会对接轨道初始相位的设计方法。针对目标飞行器交会对接轨道控制要求,建立了共面相位计算模型以及轨道相位、高度和圆化度的多目标参数求解模型。基于定轨误差、轨道控制误差和轨道预报误差的调相时间分析,制定了目标飞行器调相控制策略。仿真计算表明,实现的目标飞行器交会对接轨道满足要求,验证了调相控制量优化原则的正确性,并对标称共面与虚拟共面的共面时刻和共面相位进行了比较。所提出的计算模型、控制策略和分析方法适用于目标飞行器交会对接轨道设计和控制实施。     

Controlled solar sail transfers into the near-sun orbits

We present results of numerical simulations of trajectories of a space probe with a flat solar sail which moves from a circular Earth orbit to near-Sun regions. We consider the upper limit of the sail temperature as the basic restriction. We also examine the planar (ecliptic) solar sail transfer with gravity-assist flybys around planets.     

多冲量近圆轨道交会的快速打靶法

交会对接是空间站工程中一项非常重要的技术.对于给定的交会对接任务,设计可行的变轨策略,找出简单的计算变轨参数的算法是十分必要的.将高斯变分方程在参考轨道附近线性化得到一组线性化的轨道根数偏差方程,将该偏差方程的解作为二体模型解的初值进行轨道根数打靶,然后将所得到的二体模型的解作为摄动模型解的初始进行打靶.结果表明该迭代算法能很快收敛到摄动模型下的交会对接解.     

精确动力学模型下的火星探测轨道设计

首先在二体意义下采用粒子群优化算法（PSO）求解Lambert问题,确定发射窗口和二体地火转移轨道。使用圆锥曲线拼接法设计地心停泊轨道、逃逸轨道,并作为轨道精确设计的初值,以建立在火星的B平面参数和地火转移时间为约束,在精确动力学模型下进行微分迭代修正,最终得到满足约束的精确轨道。将设计轨道在STK软件中仿真,结果吻合。