探测器月地转移入射变轨策略优化设计

在探测器月球采样返回任务中,从环绕月球的轨道返回地球的转移入射考虑采用一次变轨或两次变轨的方案。其中,月地转移入射一次变轨方案要求采用大推力变轨发动机,难以实现高精度轨道控制。为此,文章提出将月地转移入射一次变轨机动改为分两次执行,两次间隔大约1天的优化策略。首先讨论了月地转移入射一次变轨的基本设计方法,然后给出了月地转移入射两次变轨方案的优化设计算法流程,并采用数值算例进行了说明。此外,还对月地转移入射三脉冲变轨方案和低能月地转移轨道展开了讨论,并在多方案比较分析的基础上,推荐了月球采样返回任务采用的月地转移入射变轨策略。     

伴随卫星轨道保持

文中利用伴随轨道方程推导出伴随卫星相对运动状态转移方程。基于这一状态转移方程，研究了双脉冲校正中的伴随运动状态的变化，并得出需要的脉冲控制量的解析式。利用遗传算法对脉冲控制量进行了优化设计，求得使总脉冲最小的最优变轨时间，脉冲控制量和轨迹。     

月球轨道交会任务的远程导引变轨策略研究

对国内外月球轨道交会远程导引段变轨策略的2~5脉冲变轨方案进行了比较分析,在考虑月球轨道交会飞行任务测控资源有限和航天器所带燃料受限等特点的基础上,确定了我国月球轨道交会远程导引段的变轨策略为4脉冲方案;并介绍了在4脉冲基线轨道方案的基础上,进行标称轨道设计和月面上升窗口初步分析的结果。研究结果可为我国月球轨道交会对接任务提供参考。     

星历模型下地月自由返回全飞行过程轨道设计

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解,给出了变平面机动的计算方法。进一步提出了两轮逐次优化修正策略,分别以高度和再入走廊为主要约束,采用内点法和SQP算法在高精度星历模型下对自由返回轨道初值进行逐次优化修正。之后,采用SQP算法在星历模型下对近月三脉冲变轨进行优化修正,得到了星历模型下的自由返回+近月三脉冲变轨地月转移策略。仿真校验结果表明本文提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道,为载人登月任务的转移轨道设计提供参考。     

基于轨迹成型法星际小推力转移轨道快速设计

给出了一种基于轨迹成型法星际小推力转移轨道的快速设计方法.首先介绍了基于轨迹成型法的有关内容,并通过与Hohmann变轨相对比验证了该方法描述小推力变轨的可用性.鉴于这种方法数学模型收敛性强,计算速度快的特点,以地火转移轨道为例,提出了不同推力条件下发射窗口的搜索方法.最后,利用基于轨迹成型法和真实数值仿真之间误差小、线性度好的特点,通过几次简单的线性迭代设计出小推力转移轨道.     

带燃料均衡的空间多飞行器编队重构的轨道规划方法

航天任务需求的多样化对空间多飞行器编队重构的轨道规划问题不仅提出了燃料或时间最优的要求,还提出了燃料和时间最优以及燃料均衡的要求。将带燃料均衡的多飞行器编队重构的轨道规划建模为一个多目标优化问题,通过将进化计算与问题领域的知识相结合,提出了一种基于小生境进化算法的最优轨道规划方法。该方法能从变轨时间、燃料消耗和燃料消耗方差三方面分别评价一个变轨方案的最优性,并且一次规划能够提供多个Pareto最优变轨方案。仿真结果证明了该方法的正确性和有效性,还揭示了编队重构轨道规划问题的三个优化目标之间的关系,对于制定任务计划具有重要的参考价值。     

自动转移飞行器的轨控总体方案

介绍了欧空局的自动转移飞行器（ATV）的轨道控制方案和技术。给出了ATV的飞行方案、测量敏感器和执行机构的配置,以及在空间站调相段、寻的段、接近段和最终逼近段的轨控策略。     

椭圆轨道拱线相位调节方法研究

分析了两个大小相同、拱线不同的椭圆轨道问的轨道转移,研究了单脉冲转移和双脉冲对称转移方法。用遗传算法解决了对称转移方法中最优变轨点的位置确定,获得了对称转移问题的数值解。仿真结果表明：对称转移较单脉冲转移更省能量。     

GEO卫星寿命末期离轨控制策略

根据机构间空间碎片协调委员会(IADC)1997年的建议,提出了一种采用多次两脉冲霍曼变轨对寿命末期地球同步轨道(GEO)卫星实施离轨控制的策略。分析了剩余燃料充足时变轨中燃料消耗的计算,以及剩余燃料不足时应采用一次两脉冲霍曼变轨使卫星尽可能离开GEO的对策。仿真结果表明,该离轨控制策略可行。     

空间交会调相综合变轨优化

基于近圆轨道偏差线性方程研究了摄动交会调相综合变轨问题,建立了综合变轨两层非线性优化模型:上层问题以变轨点纬度幅角为优化变量,下层问题以脉冲向量为优化变量.为了快速获得上层问题全局优化性较好的摄动解,采用了并行模拟退火算法与序列二次规划算法相结合的混合策略;下层问题使用基于可行域最速下降的线性迭代方法求解.采用一个两天近地轨道调相问题测试了本文的综合变轨求解策略,并将综合变轨与特殊点变轨、综合变轨混合优化与遗传算法优化进行了比较.结果表明,建立的两层优化模型是有效的,本文的求解策略有着良好的全局收敛性和较高的收敛效率,综合变轨相对于特殊点变轨可以显著地节省燃料.     

地月低能转移轨道设计方法研究

研究地月低能转移轨道的设计方法。这种低能转移轨道利用了弱稳定边界理论，通过太阳的引力摄动，使得探测器能够不经过减速就被月球俘获。与经典的霍曼转移相比，低能转移轨道呵节省约140m／s的速度脉冲。由于设计是基于叫体问题模型进行的，问题具有很强的非线性特性，寻找满足约束条件的转移轨道变得非常困难。常用的两点边值问题的解法在这里都失效。本文在研究地月低能转移轨道特忡的基础上，对一般地月转移轨道搜索的变步长爬山法进行改进，用来设计地月低能转移轨道。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于双蚁群优化的快速轨道转移

研究了Lambert转移的优化问题,并用于航天器的快速轨道机动。以二体模型为基础,在给定的转移时间范围内以燃料最省为目标函数,用蚁群算法(ACA)对Lambert机动问题进行寻优;将第一次寻优用于完成轨道机动所需的速度增量转换成航天器发动机有限推力下的时间序列;考虑地球主要摄动影响,再次用ACA对有限推力工作时段进行边值修正,保证航天器能转移至目标位置范围。仿真结果表明:双蚁群优化方法可有效修正由二体假设导致的Lambert转移的误差,同时由蚁群算法的较强寻优性能保证了Lambert机动过程的燃料最省。     

飞月轨道引力捕获设计方法研究

利用太阳引力摄动与月球绕飞设计的地月转移轨道（飞月轨道），与霍曼转移相比，虽然飞行时间较长（约三、四个月），但可显著节省速度增量（可达１５０米／秒），对无人月球探测器尤为适合。应用平面圆型限制性四体问题动力学模型，选择从月球出发的初始条件。借助“地心距－时间曲线”，从平面圆型限制性四体问题转换为一般的限制性四体问题。通过典型模拟计算，分析负向积分（从月球轨道出发）初始轨道参数及太阳方位对月球探测器     

多用途液体上面级GNC系统方案研究

研究了一种多用途液体上面级的GNC系统方案,提出了SINS GPS组合导航方案,轨道霍曼转移 最优制导方案和姿态预测控制方案。对GNC系统功能和特点,系统组成及系统方案进行了详细的描述,介绍了其针对现有任务和现有技术的设计思路和设计中的主要问题及解决方法。初步的仿真结果证明了系统方案的可行性。     

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。     

Approximate solutions to minimax optimal control problems for aeroassisted orbital transfer

This paper considers minimax problems of optimal control arising in the study of aeroassisted orbital transfer. The maneuver considered involves the coplanar transfer from a high planetary orbit to a low planetary orbit. An example is the HEO-to-LEO transfer of a spacecraft, where HEO denotes high Earth orbit and LEO denotes low Earth orbit. In particular, HEO can be GEO, a geosynchronous Earth orbit.The basic idea is to employ the hybrid combination of propulsive maneuvers in space and aerodynamic maneuvers in the sensible atmosphere. Hence, this type of flight is also called synergetic space flight. With reference to the atmospheric part of the maneuver, trajectory control is achieved by means of lift modulation. The presence of upper and lower bounds on the lift coefficient is considered.The following minimax problems of optimal control are investigated: (i) minimize the peak heating rate, problem P1; and (ii) minimize the peak dynamic pressure, problem P2. It is shown that problems P1 and P2 are approximately equivalent to the following minimax problem of optimal control: (iii) minimize the peak altitude drop occurring in the atmospheric portion of the trajectory, problem P3.Problems P1–P3 are Chebyshev problems of optimal control, which can be converted into Bolza problems by suitable transformations. However, the need for these transformations can be bypassed if one reformulates problem P3 as a two-subarc problem of optimal control, in which the first subarc connects the initial point and the point where the path inclination is zero, and the second subarc connects the point where the path inclination is zero and the final point: (iv) minimize the altitude drop achieved at the point of junction between the first subarc and the second subarc, problem P4. Note that problem P4 is a Bolza problem of optimal control.Numerical solutions for problems P1–P4 are obtained by means of the sequential gradient-restoration algorithm for optimal control problems. Numerical examples are presented, and their engineering implications are discussed. In particular, it is shown that, from an engineering point of view, it is desirable to solve problem P3 or P4, rather than problems P1 and P2.     

Walter Hohmann's contributions towards space flight: an appreciation on the occasion of the centenary of his birthday

In 1923 Hermann Oberth published his book “Die Rakete zu den Planetenräumen” (The Rocket into Planetary Space), in 1924 Max Valier's book “Der Vorstoss in den Weltenraum” (The Advance into Space) appeared while in the U.S.A. already in 1919 Robert H. Goddard reported on his rocket experiments. Altogether different from the publications just mentioned was a book entitled “Die Erreichbarkeit der Himmelskörper” (The Attainability of Celestial Bodies) published in 1925. Its author was Dr.-Ing. Walter Hohmann, born 18 March 1880, civil engineer for the city authorities of Essen, who had already made, during World War I, calculations as to the amount of fuel, initial mass and flight time necessary for flights from the Earth to other planets. The transfer trajectories investigated by Hohmann and today attributed with his name have a great practical significance for space flight onto the present. In the lecture a critical appreciation of Hohmann's work is given.     

Optimal aeroassisted return from high earth orbit with plane change

This paper gives a complete analysis of the problem of aeroassisted return from a high Earth orbit to a low Earth orbit with plane change. A discussion of pure propulsive maneuver leads to the necessary change for improvement of the fuel consumption by inserting in the middle of the trajectory an atmospheric phase to obtain all or part of the required plane change. The variational problem is reduced to a parametric optimization problem by using the known results in optimal impulsive transfer and solving the atmospheric turning problem for storage and use in the optimization process. The coupling effect between space maneuver and atmospheric maneuver is discussed. Depending on the values of the plane change i, the ratios of the radii, $\text{n =}\text{r}{}_1\text{r}{}_2$ between the orbits and $\text{a =}\text{r}{}_2\text{R}$ between the low orbit and the atmosphere, and the maximum lift-to-drag ratio E1 of the vehicle, the optimal maneuver can be pure propulsive or aeroassisted. For aeroassisted maneuver, the optimal mode can be parabolic, which requires only drag capability of the vehicle, or elliptic. In the elliptic mode, it can be by one-impulse for deorbit and one or two-impulse in postatmospheric flight, or by two-impulse for deorbit with only one impulse for final circularization. It is shown that whenever an impulse is applied, a plane change is made. The necessary conditions for the optimal split of the plane changes are derived and mechanized in a program routine for obtaining the solution.