改进的Tour-Map借力飞行图形设计方法

针对借力飞行轨道初始设计阶段的任务需求,提出一种改进的Tour-Map借力飞行图形设计方法,用于分析借力效果,确定借力方案和设计参数初值.在圆锥曲线拼接假设基础上,建立了借力飞行超越速度矢量和借力天体位置、速度的几何模型,推导了借力后日心轨道要素的解析表达式,并将分析结果绘制成经纬度坐标的Tour-Map轨道要素等高线图,图中综合了借力飞行后大量可行的日心转移轨道信息,为分析借力飞行的作用提供了形象的参考.将其应用在木星借力太阳高纬度探测轨道设计中,证明了方法的有效性和实用性.     

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°.     

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。     

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。     

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.      

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.      

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。     

基于金星共振借力的太阳抵近探测任务轨道设计

对于太阳抵近探测任务,从地球直接发射探测器至太阳附近需要消耗巨大能量,通过多次金星借力飞行,可有效降低地球发射能量C₃及中途变轨的燃料消耗.本文研究基于金星共振借力的太阳抵近探测任务轨道优化设计,建立了连续共振借力和混合共振借力的转移轨道优化设计模型,并针对2025—2028年的发射窗口开展太阳抵近探测任务轨道优化设计.仿真结果表明,相比连续共振借力,混合共振借力可以有效缩短太阳抵近探测任务的轨道转移时间,对于地球发射能量C₃和中途变轨燃料消耗的影响未见明显的规律性,能量降低与序列中的共振比相关.      

基于同伦方法三体问题小推力推进转移轨道设计

提出一种基于同伦方法限制性三体问题小推力推进转移轨道设计方法。首先根据最优控制原理分析了航天器在轨道转移中不同性能指标时的最优控制律,然后引入同伦参数构造新的性能指标,在基于遗传算法和打靶法得到能量最优的解基础上,采用伪弧长法跟踪同伦轨迹,进而得到燃料最优的转移轨道。最后对地月系下从GEO轨道到L1点Lyapunov轨道的转移轨道进行优化。仿真结果表明:利用遗传算法能优化得到较为合适的流形拼接点和协态变量初始值,利用打靶法能有效地优化得到小推力燃料最优转移轨道。     

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.     

一种空间交会绕飞段的小推力滑移制导方法

小推力技术在空间交会任务中应用前景巨大,可用于长期绕飞和快速绕飞任务．研究滑移制导方法在空间绕飞中的具体应用,给出任意空间绕飞任务的描述方式,推导任意平面内的圆轨道绕飞和椭圆轨道绕飞公式．考虑实际工程需要,研究基于小推力发动机的滑移制导方法在工程上的实现问题,仿真验证了小推力技术在绕飞任务中的工程可行性．     

小推力转移燃料消耗估计的机器学习方法

深空探测任务设计初段往往需要求解复杂的全局优化问题。小推力轨迹的设计与优化问题精确求解较为复杂,求解速度较慢。由于计算能力与时间要求,不可能在全局优化的过程中对每一个方案都进行精确的小推力数值求解,所以在全局优化阶段需要对小推力转移进行快速准确地估计。采用机器学习的方法,对燃料最优小推力转移的燃料消耗进行了估计,其结果明显优于目前最为常用的Lambert估计方法。根据轨道描述方法的不同以及是否带有Lambert估计特征,采用不同的特征组合进行机器学习,分析结果发现带有Lambert估计特征的春分点轨道根数的特征组合为较好的机器学习特征组合。可为未来深空探测任务轨道设计提供参考。     

连续小推力非开普勒悬浮轨道研究综述

连续小推力非开普勒悬浮轨道在深空探测与地球极地观测任务中有着重要的应用前景.归纳了电推进、太阳帆推进等连续小推力技术的发展历程与现状;阐述了日心、行星悬浮轨道的动力学特性、稳定性、轨道保持策略;分析了三体问题下人工拉格朗日点的优势及其在深空探测方面的应用;讨论了悬浮轨道编队飞行的研究方法与控制策略.最后针对小推力悬浮轨...     

Synergistic approach of asteroid exploitation and planetary protection

The asteroid and cometary impact hazard has long been recognised as an important issue requiring risk assessment and contingency planning. At the same time asteroids have also been acknowledged as possible sources of raw materials for future large-scale space engineering ventures. This paper explores possible synergies between these two apparently opposed views; planetary protection and space resource exploitation. In particular, the paper assumes a 5 tonne low-thrust spacecraft as a baseline for asteroid deflection and capture (or resource transport) missions. The system is assumed to land on the asteroid and provide a continuous thrust able to modify the orbit of the asteroid according to the mission objective. The paper analyses the capability of such a near-term system to provide both planetary protection and asteroid resources to Earth. Results show that a 5 tonne spacecraft could provide a high level of protection for modest impact hazards: airburst and local damage events (caused by 15–170 m diameter objects). At the same time, the same spacecraft could also be used to transport to bound Earth orbits significant quantities of material through judicious use of orbital dynamics and passively safe aero-capture manoeuvres or low energy ballistic capture. As will be shown, a 5 tonne low-thrust spacecraft could potentially transport between 12 and 350 times its own mass of asteroid resources by means of ballistic capture or aero-capture trajectories that pose very low dynamical pressures on the object.     

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。