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。     

混合遗传算法在最优Lambert轨道转移设计中的应用

研究了初始位置、目标位置和转移时间均不固定的双冲量Lambert转移问题,旨在实现燃料和转移时间的综合最优.在对Lambert飞行时间定理推导的基础上,提出了一种遗传算法和迭代法相结合的优化算法,并给出了算法的设计步骤;同时,对影响遗传算法寻优性能的两个参数进行了自适应调整,提高了算法的收敛性.最后,通过两个实例验证了所提算法的有效性和准确性.     

地球静止轨道卫星碰撞碎片短期演化风险分析

地球静止轨道(GEO)卫星与空间碎片发生碰撞后短期内会出现无地面观测数据的情况。为解决该问题,筛选了所有运行或穿越GEO区域的空间目标,分析了数值法和解析法在进行接近分析时的优劣势,给出了基于弦截法的接近分析数值求解方法,运用SDP4模型进行轨道预报。运用质量守恒和动量守恒对NASA标准解体模型进行修正,生成空间碎片信息。针对短期演化风险,在无连锁碰撞研究需求时进行假设,进而简化碰撞概率计算方法。对GEO区域内碎片的碰撞和穿越GEO区域碎片的碰撞2类事件进行分析,在碰撞完全解体和非完全解体2种条件下,分析3 d内碰撞产生的碎片对GEO区域的威胁程度。仿真实验结果表明:在完全解体的情形下,新产生的空间碎片3 d内与原有空间目标会发生100多次小于20 km的接近,最近距离降低到214.4 m。在无地面对新生成空间碎片观测数据的条件下,该研究为航天器规避机动提供参考,为下一步的长期演化分析提供理论借鉴。     

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。     

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。     

挠性卫星轨控期间动力学与姿态控制

卫星轨道控制期间,轨道控制推力会激振挠性太阳帆板,从而也影响卫星的姿态。用拉格朗日方程建立了带有大型太阳帆板的卫星动力学模型,分析了卫星质心运动、姿态运动与挠性振动的耦合关系。根据姿态控制推力器的输出特性,设计了轨道控制期间卫星姿态控制方案。通过数学仿真验证了轨道控制推力对挠性帆板与卫星姿态的影响,验证了轨控期间姿态控制方案的有效性。     

发展X-37B空间飞机的背后动因分析

文章通过对X-37B飞行器的飞行试验任务分析,指出了X-37B飞行器不是空天飞机,也不是全球快速打击平台,而是一种低成本太空进入能力的飞行验证器,它的作用定位在空间而不是在空中。通过飞行试验和验证试验,旨在打造一个可重复使用的轨道转移运载器。将美国2010年航天战略的重大调整、国际空间站的运行延期和航天飞机退役等事件结合起来,对X-37B发展的背后动因进行分析,有助于了解美国航天发展的未来趋势。经过动因的详尽分析,指出要特别关注美国航天战略调整的两个重心转向,尤其是两个转向背后的动机。如何正确地认识国际空间站的作用定位,对于审视载人航天的未来发展有重要意义。美国航天战略的调整使载人航天的重心回到近地轨道上。基于中国目前的能力现实,建议中国的载人航天重心放在地球轨道上,做好各种能力的建设,并利用这些能力把地球轨道上的事做得更好。     

持续推进地球轨道转移的直接优化方法(英文)

对于一大类时间最省(单次推进)和燃料最省(多次推进)的中等推力水平持续推进地球轨道转移问题,本文给出了一种系统的直接优化方法。首先,对于具有倾角和偏心率的目标轨道,我们介绍了一种惯性坐标转换方法得到更具一般性的末端约束条件。这个转换避免了逆行赤道轨道对春分点轨道根数引起的奇异,同时也提高了求解优化问题的收敛性。多次打靶法在本文中也得到了应用,给出了针对不同形式的轨道转移如何分配多次打靶变量的方法。基于惯性坐标转换和多次打靶法,最优控制问题转换为利用非线性规划法求解的参数优化问题。本文给出了单次推进时间最省以及多达12次推进燃料最省的轨道转移仿真结果,所有收敛结果均以简单定义的初值迭代得到。最后,我们讨论了利用模型预测控制进行自主制导的潜在方案。     

Effect of Multi-wall System Composition on Survivability for Spacecraft Impacted by Orbital Debris

Long-duration spacecraft in low earth orbit such as the International Space Station (ISS) are highly susceptible to high-speed impacts by pieces of debris from past earth-orbiting missions. Among the hazards that accompany the penetration of a pressurized manned spacecraft are critical crack propagation in the module wall, crew hypoxia, and uncontrolled thrust due to air rushing out of the module wall hole. A Monte Carlo simulation tool was used to determine the effect of spacecraft wall construction on the survivability of ISS modules and crew following an orbital debris penetration. The simulation results indicate that enhanced shield wall designs (i.e., multi-wall systems with heavier inner bumpers) always lead to higher overall survivability of the station and crew due to an overwhelming decrease in likelihood of module penetration. The results of the simulations also indicate that changes in crew operations, equipment locations, and operation procedures can significantly reduce the likelihood of crew or station loss following an orbital debris penetration.     

航天器双主动交会策略研究

从理论上分析了共面近地圆轨道上的航天器的远程双主动交会的问题.根据轨道动力学基本原理,导出各种情况下特征速度的解析解,为航天器变轨时的燃料消耗分析提供了依据.进一步探讨了航天器轨道转移过程中的时间策略,以保证在不同轨道上运行的航天器在同一时刻、同一空间位置交会.上述理论分析的仿真计算结果表明,双主动交会总特征速度和过程耗时都低于主被动交会情形,单星的燃料消耗大大降低,对大范围快速变轨,优势更加明显.