土星系探测任务进展与展望

《2021中国的航天》白皮书表示中国行星探测工程将实施小行星探测、火星采样返回、木星系探测等任务,对于更为远期的行星探测任务尚未有明确规划。土星是太阳系第二大行星,拥有美丽的星环和众多天然卫星,其中土卫二可能存在冰下海洋、土卫六是太阳系第二大天然卫星且是唯一一个拥有浓密大气的卫星,均具有极大的科学研究价值。本文对国外土星探测任务的发展状况进行了调研分析,包括已实施的先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号、卡西尼-惠更斯号,以及后续的土卫二轨道-着陆器、土卫二多次飞越探测等。对这些任务的特点及实施土星系探测面临的关键难点进行了归纳总结。最后,提出了土星系探测的总体任务设想,进行了任务分析与初步设计,可作为中国后续行星探测任务规划的参考。

电推进火星捕获能量最优平面轨迹间接法优化

电推进行星捕获由于推力小,行星捕获时间将显著增长,具有与化学推进行星捕获完全不同的特性,极大地增加了轨道优化的难度。本文围绕小推力行星捕获段控制问题,以火星探测捕获轨迹优化问题为例,基于双曲轨道参数开展不同性能指标下行星捕获开关机及控制策略研究,使用间接法求解能量最优平面轨迹优化问题得到最优控制策略,并与沿速度方向反向的控制策略进行了比较。结果表明:所提方法实现了对小推力火星捕获的优化设计,捕获后轨道相较于目标轨道的误差较小,轨道安全性能够保证。

近地小行星动力推离在轨处置策略与效能分析

针对近地小行星频繁的撞击威胁,论证了小行星动力推离偏转处置任务。该处置方式通过侵彻锚固小行星表面并采用电力推进对小行星多次推离。通过建立近地小行星动力推离动力学模型,研究了不同自转状态小行星在动力推离处置策略下,其轨道偏移变化的情况。以2019VL5偏转小行星为例,通过数值仿真模拟动力推离处置效能及工程可实施性。仿真结果表明,在约4年的预警时间中,在特定轨道位置施加0.4N小推力,小行星能够获得的最大偏转距离2.91万km,在处置结束2500d后小行星能够获得9万km的最大偏转。小行星动力推离处置可使对具有威胁的小行星实现有效偏转,可用于未来小行星防御偏转和抵御其它太空物体攻击的轨道转移任务。

地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析

以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景,针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题,开展了化学-电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先,讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明,在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后,以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格,得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道,构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算,电推进段采用混合法优化。最后,以燃料消耗和转移时间为指标,在搜索域内开展解算分析,研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集,拓宽了解空间,可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。