小天体附近的轨道动力学研究综述

小天体附近的轨道动力学是现代天体力学的一个重要研究方向,包含着丰富的物理现象和深刻的数学内涵;随着一系列小行星实地探测任务的深入开展,理解小天体附近的轨道运动规律也成为航天领域所面对的众多挑战之一。回顾了小天体研究和探测的历程,分析了小天体附近轨道动力学问题的基本特点和科学价值;详细介绍了航天动力学、行星学和非线性科学三个学科领域对该问题的讨论和研究进展,并列举了各领域中相关的热点问题;基于对上述研究现状的分析,尝试展望了该研究方向未来的发展趋势。     

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.     

一类最省燃料优先的多圈飞行脉冲交会

通过分析采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会的特征速度与转移轨道半长轴的关系,指出其最优解实际上是2N+1条满足时间约束的转移轨道中燃料较省的,而非最省燃料轨道.提出将双脉冲交会的首次脉冲矢量分解成方向相同的两次脉冲,使得追踪器在特定的滑行轨道飞行N圈以消耗多余的转移时间,利用剩余的转移时间沿最省燃料轨道与目标交会.几何上证明了这种交会的特征速度与最省燃料转移相同,并且给出了解的存在性条件.通过仿真验证了这种交会比采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会更省燃料,解的存在性对转移时间的长度要求更低.     

基于蚁群算法和Powell法的Lambert转移

研究了两次脉冲时刻均不固定的Lambert轨道转移的优化问题,目标是找到施加两次脉冲的最优时刻,使燃料和转移时间的加权和最小.鉴于传统的优化算法难以获得该优化问题的全局最优解,提出了一种蚁群算法和Powell法相结合的优化算法,给出了算法的设计步骤.该算法结合了蚁群算法的全局搜索能力和Powell法的局部寻优能力,在保证全局搜索能力的同时,提高了算法的局部寻优能力和精度,减少了寻优时间.通过两个算例验证了这种结合的有效性和准确性.     

爆炸解体空间碎片的空间密度分布

利用NASA爆炸解体模型研究了由爆炸解体而产生的空间碎片的分布情况,并通过对大种群空间碎片进行快速轨道演化,获得了所有历史上爆炸解体而产生的空间碎片在当前时刻的分布情况,为建立空间碎片环境工程模型提供了一部分参考数据。文中对后续的研究工作具有一定的参考价值。     

同一平面气动力辅助变轨的近似解及分析

采用格林函数法,给出了同一平面气动力辅助变轨飞行的3种过程约束(气动加热率、动压、升力约束)条件之间关系的近似定量描述形成的飞行包络线.由此求解了航天器同时受3种约束条件时,各种性能指标下的同一平面气动力辅助变轨轨迹的近似解及相应的最优控制规律.文中对近似解与控制规律的内部结构作了细致的分析,得到了一些有益的结论.     

Assessing the Risk of Orbital Debris Impact

A Space Debris Impact Risk Analysis Tool (SDIRAT) was developed and implemented to assess the orbital debris impact risk on a specified target in Earth orbit, in terms of flux, relative velocity, impact velocity, direction of the incoming particles, debris mass and diameter. Based on a deterministic approach, SDIRAT uses a realistic orbital debris population where each representative particle is identified by its rectangular coordinates (position and velocity) at a reference epoch. Using this information, some geometrical algorithms were developed and implemented to evaluate the contribution of each particle to the incoming flux. The position of the particle with respect to a specified target drives the selection criteria to reject, or select, it as a possible projectile. On the other hand, the relative velocity vector can be used to estimate the impact direction of the incoming flux. SDIRAT was conceived as a general tool for a variety of scenarios, such as low circular and elliptical orbits, up to the geosynchronous ring. This paper presents some examples of possible applications, including the computation of the incoming debris flux on SAX (low Earth orbit), SIRIO (geosynchronous orbit) and the IRIS upper stage (elliptical orbit). Other applications assess the impact risk for the Soviet Radar Ocean Reconnaissance Satellites Cosmos 1900 and Cosmos 1932.     

变比冲发动机作用下共面燃料最优轨道转移

以国外目前正在研制中的变比冲磁等离子体火箭发动机(VASIMR)为背景,研究了变比冲发动机作用下的同平面燃料最优轨道转移。推力方向角和比冲为控制变量,发动机总功率为常值,发动机可多次开关机。采用经典最优控制理论,运用庞德里亚金最小值原理将问题转化为两点边值问题,并通过非线性规划算法求解,得到了受精确开关函数控制的最优比冲时间历程。给出的VASIMR发动机应用算例结果表明,采用VA-SIMR发动机有益于提高航天器有效载荷所占比例。     

月球卫星的精密定轨

发射月球卫星是探测月球的一个重要途径,而且为了找水,多采用极轨方式.由于作为中心天体的月球与地球有所不同,导致月球卫星的运动及其相应的轨道摄动解亦有明显差异.在这种背景下,本文选择采用一组适用于0≤e<1和0°≤i<180°的无奇点根数、充分利用数值法和分析法各自特点的定轨方法,给出月球卫星的精密定轨方案,并以测距的模拟资料进行了实算,计算结果与理论分析相符,有实用前景.     

基于逼近理想解排序法的航天器初始轨道选优

针对航天器入轨段，如何从多组初始轨道中选择一组最优或最符合客观实际轨道根数问题，进行了深入地理论分析，提出了基于逼近理想解排序法的航天器初始轨道根数选优算法。描述了逼近理想解排序法的设计思想以及求解的六个基本步骤；针对航天器初始轨道的设计特点，巧妙地利用标称轨道作为理想解，偏差轨道作为负理想解，成功地应用逼近理想解排序法建立了初始轨道根数选优的决策数学模型，并以一颗典型的太阳同步轨道卫星为例，验证了其数学模型和选优算法的合理性和正确性。