航天器异面气动力辅助变轨大气飞行段的最优轨迹

本文研究航天器利用气动力辅助变轨实现由远地轨道向近地轨道异面转移问题，就航天器利用大气飞行实现减速及轨道平面机动提出了一种考虑过程约束存在时的优化设计方法。通过方案设计将函数优化问题转换成参数优化问题，并利用美国航天飞机数据进行了模拟计算，得到满意结果。     

极坐标系连续常值推力机动分析

连续常值推力是空间飞行常用的轨道机动方式，在空间交会与星际航行使命中具有重要的应用价值。其中，小推力适合于地球轨道航天器交会机动，而切向或周向推力以及较大的正径向推力可用于脱离地球引力场的逃逸飞行，执行星际交会使命。应用常推力作用下的极坐标系质心运动方程，对机动推力的量值没有限制；在航天器交会应用中，对相对距离也无要求。这种方法可直接获得向径与速度等轨道参数随时间或极角（绕地心的转动角）的变化，便于分析轨道转移与逃逸运动，有助于飞行使命与运动轨迹的设计。特别是，若机动转移的初轨为圆轨道，在推力较小、飞行时间不长的情况下，应用无量纲形式运动方程，可获得具有工程应用价值的近似解。文章给出一些有关的结果与应用案例。     

航天器交会两点边界值问题

从绝对运动和相对运动两方面讨论近地空间航天器交会中的两点边界值问题。其中，绝对运动涉及多圈Lambert问题，以Lagrange时间方程为研究工具，而相对运动Lambert问题应用C—W线性解。对圆轨道之间的双冲量转移，给定转移角与转移时间，研究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多圈转移的工程图解法，并从工程应用出发，在飞行时间约束下，按最小速度增量要求，阐述航天器交会两点之间飞行轨道（轨迹）设计方法。这种方法将飞行轨迹划分为初始漂移段、轨道转移段与终端停泊段三部分，应用两点边界值问题的解，选择两次冲量机动时刻，使速度增量之和最小。模拟算例表明，这种方法对航天器交会设计是适用的、有效的。     

发动机失效状态下空间交会的主动防撞设计

针对空间交会对接中的主动防撞问题,分析了航天器椭球型安全区域的碰撞问题.同时,在某一方向发动机失效的情况下,利用控制力耦合效应,设计了航天器主动防撞机动的控制律.结合安全区域分析和轨道机动的燃料消耗选择一条燃料最优的安全转移轨道.最后通过仿真,验证了发动机失效情况下的主动防撞机动控制律的有效性.     

采用打靶法设计考虑地球扁率的机动轨道

地球扁率对航天器机动轨道的影响不可忽视,因此研究考虑地球扁率的机动轨道设计方法对实现航天器的快速自主轨道机动是很有意义的。打靶法能够很好的解决两点边值问题,因此可以用来设计机动轨道。在仿真过程中发现,虽然一般情况下打靶法都能够很快收敛,但当地心转移角接近π时却出现发散现象,用卫星工具软件包(STK)、拟平均根数等方法验证了这一现象。通过理论分析找到了在两次冲量转移假设下,考虑地球扁率的机动轨道在地心转移角接近π时对末端边界条件比较敏感的原因,并提出了解决办法。     

一种常值推力作用的轨道机动优化设计策略

针对常值推力作用的航天器轨道机动优化设计问题开展研究,推导了航天器三维空间轨道机动动力学模型,对动力学模型各参数进行无量纲化处理以防止计算过程中出现奇异。提出了一种先轨道等待再轨道机动的优化设计策略,航天器先在初始轨道上无动力飞行一段时间进行轨道等待,然后寻找一个最优时刻施加推力再进行轨道机动。该策略将航天器的最优等待时刻和轨道机动过程中的最优控制量作为整体统一进行优化。通过基于分段积分技术的多重直接打靶法将原先复杂的轨迹优化设计问题转化为每个子时间区间的非线性规划问题,采用内点法进行求解。仿真验证了本文优化设计策略的有效性。     

NASA的STEREO科学卫星绕月变轨并准备开始对日研究

[据飞行现在时网站2007年1月25日报道]由NASA戈达德空间飞行中心运营的孪生卫星STEREO(日地关系观测卫星)是NASA第3项日地探测计划任务。STEREO是首次利用月球引力改变多个航天器轨道的任务,这两颗卫星由一枚火箭送入各自轨道。卫星轨道和绕月变轨机动由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的任务设计工程师们设     

大范围轨道机动的燃料消耗优化方法

针对航天器大范围轨道交会提出了二冲量燃料最省机动方案的数值寻优算法及多冲量机动方案的啸声境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确小生境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确性进行了验证,通过仿真实验,比较了大范围交会轨道机动中不同冲量次数对总燃料消耗的影响,分析得出了非共面轨道交会机动时燃料最省的指导性方案.     

航天器远程最优拦截方法研究

有限推力和脉冲推力是研究航天器轨道拦截问题的两大类方法.该文基于C-W方程建立了航天器远程拦截的相对运动方程,并进行了无量纲化；以能量最省为性能指标,应用Legendre伪谱法对拦截轨道进行优化,并检验结果的最优性.仿真结果表明,该方法精度高、鲁棒性强,验证了Legendre伪谱法在航天器远程拦截轨道优化设计中的正确性...     

升力式航天器太阳同步冻结回归轨道保持策略

针对超低轨道升力式航天器对地观察的优势及其高机动特性，设计了一种近地点位于临近空间的太阳同步冻结回归轨道，并对气动力辅助与发动机推力相结合的轨道保持策略进行了研究。策略将轨道保持过程分为3个阶段：第1阶段自远地点飞向大气层，不施加控制；第2阶段在大气层内飞行，通过控制攻角和倾侧角调整航天器所受气动力，小幅改变轨道的升交点赤经；第3阶段自跃出大气层到远地点，利用轨控发动机调整轨道参数，回到远地点时除升交点赤经其他轨道参数不变。以燃料最省为性能指标，对轨道保持策略进行了仿真分析，结果表明可以实现14.7天太阳同步冻结回归轨道的在轨运行。     

航天器的交会与对接及其人控和自控

航天器的交会与对接及其人控和自控吴国兴前言交会是一个航天器接近另一个航天器的过程。具体地说，就是在航天飞行中，两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调，在同一时间到达空间同一位置的过程。对接是在交会的基础上，通过专门的对接装置将两个航天器连接成一个整...     

空间交会最终平移轨迹安全模式设计

追踪航天器在制导机动失效后的飞行轨迹的安全性,是最终平移段标称轨迹设计的主要依据。被动安全模式设定较低的逼近速度,可避免制导机动失效后两星碰撞,但飞行时间较长;主动安全模式设置避撞机动,确保制导机动失效后飞行安全,其逼近速度大于被动安全模式,可缩短飞行时间。本文以 V-bar逼近为例,对以目标航天器质心为中心的长方体飞行禁区与球形飞行禁区,给出被动安全模式与主动安全模式及其避撞机动的设计方法。     

日本HTV-1转移飞行器进行高度调整机动

据报道：日本第一艘HTV-1转移飞行器自飞行的第七天开始，成功进行了多次高度调整机动。调整后，HTV-1转移飞行器将进入国际空间站的运行轨道，并尾随空间站飞行，间距5km。HTV-1转移飞行器运送的货物约4．5t，用途主要有向国际空间站运送补给和验证HTV的对接飞行技术，验证搭载在HTV转移飞行器上的系统在实际飞行中的运行功能。     

美国增程拦截导弹首次飞行试验

1992年6月26日美国在白沙导弹靶场首次进行了增程拦截导弹(Erint)的飞行试验。飞行试验由战略防御机构和美国陆军战略防御指挥部实施。增程拦截导弹从安装在爱国者导弹发射装置上的它的专用弹筒点火发射。这个不制导的导弹飞行34.4s的程序轨道,此程序轨道包含了5g轨道面内的机动。试验验证了导弹结构的牢固性以及固体火箭助推器的性能和尾翼控制和姿态助推器的性能。预计在1993年作七次Erint飞行试验,从第三次飞行试验验开始,将作以弹道式战术导弹、机动导弹和靶机为拦截目标的有制导的飞行试验。     

一种航天器空间机动轨道的改进形状设计方法

针对带推力约束的航天器三维空间机动轨道初始设计问题,提出了一种基于傅立叶级数展开的改进形状设计方法。首先,在柱坐标系下建立了航天器运动模型,并将基于傅立叶级数展开的形状方法推广到三维空间的机动轨道初始设计;然后,基于所得到的空间初始机动轨道,采用直接配点法进行了完整三维空间机动轨道的优化设计。仿真结果表明,提出的方法可以为带有任务约束的航天器三维空间机动轨道的优化设计提供更优的初始参数及其解析解,为空间机动轨道设计提供了新的方法。     

深空机动对运载火箭发射火星探测轨道研究

为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时，因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制，有效发射日期窗口亟需拓展的问题，采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP)，研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作用。在发射直接转移火星探测轨道算法基础上，重点研究了包含引力影响球(SOI)内近地及近火飞行段后，采用主矢量获取深空机动最优猜测初值的分析算法，通过直接使用探测器近火点目标轨道参数优化运载火箭发射轨道，研究对比不同优化目标及设计约束下深空机动的分析结果，证实深空机动对降低转移轨道总发射能量需求、拓展发射日期窗口的高效性；该算法已应用于工程设计。     

采用二次修正的立方星拦截仿真研究

针对空间攻防背景下立方星拦截问题，提出了一种Lambert求解与C-W方程结合的以燃料-时间为约束的拦截轨道快速设计方法。该方法首先在Lambert求解框架下，以燃料和拦截时间为限，建立了立方星转移时间与速度增量的模型，生成了初始拦截轨道；随后根据末端拦截精度需求，通过C-W方程进行末段导引，施加二次脉冲，对拦截轨道末端进行误差修正，使得最终误差可以满足任务要求。最后通过GMAT构建的轨道力学环境，在Matlab算法驱动下进行联合仿真验证，分析表明该算法在燃料和时间的共同约束下可获得一条优化轨道，并能兼顾末端拦截精度，具有工程借鉴意义。     

基于气动辅助变轨的变气动外形飞行器概念研究--最优控制律问题

从一个天地往返飞行器的上升轨道和再入返回轨道的优化，以及适用不同飞行任务的变轨要求的气动外形问题，提出一项基于气动力辅助变轨的变气动外形飞行器的新概念研究。对于一个固定气动外形飞行器要同时满足上升轨道有效载荷最大和再入轨道热流峰值、过载峰值及机动性能约束下的成本最低往往是困难的。若同时满足不同飞行任务：飞往太空站的运输任务，空间拦截和交会机动巡航任务及星际探测任务，则更为困难，实际上是不可能的。文章研究基于气动力辅助变轨，在热流约束下，气动外形参数变化对最优控制的影响。其结论为：热流约束下的最优控制解，包括考虑推力协同变轨，除了在非约束弧的滚转角不直接受气动外形影响外，其余的控制律，升力系数和滚转角都是气动外形参数和攻角的函数。因而变气动外形可作为一项新技术，即通过气动外形参数变化和相应的变轨策略而获得性能和成本都最佳的用途很广的一种新型飞行器。     

基于零脱靶量设计的前向追踪拦截滑模制导律

在拦截高超音速目标时,传统拦截制导律要求拦截弹速度更高,由此带来拦截弹的能量和控制等诸多难题.本文设计了一种基于零脱靶量的前向追踪拦截滑模制导律,实现了低速拦截弹拦截高速目标.首先分析了前向追踪拦截模型,该模型将低速拦截弹放置在高速目标前方飞行,通过控制拦截弹的飞行方向,可以达到拦截目标的目的;然后给出了前向追踪模型下理论脱靶量在目标机动和非机动两种情况下的数学表达式;最后以目标机动情况下的理论脱靶量为滑模面,设计了一种基于滑模控制的前向追踪拦截制导律.仿真试验验证了该制导律的可行性和高精度、低过载的特点.     

近圆轨道航天器伴随飞行控制方法研究

对近圆轨道上航天器在轨长期伴随飞行的轨道控制方法进行了研究。比较了采用C\|W方 程（Clohess\|Wiltsire）解析解和轨道根数两种方法描述相对运动的相同点和差异。分析 影响航天器长期伴随飞行的各种因素。在总结相对运动规律的情况下设计轨道修正条件,提 出两种伴随飞行的轨道控制方法,并分别对两种方法的控制效果进行理论分析。数学仿真结 果表明两种控制方法都能实现航天器长期伴随飞行,且第二种方法能够较大程度上节省燃料 消耗。