结合行星借力飞行技术的小推力转移轨道初始设计

针对结合行星借力和小推力技术的行星际转移轨道设计问题,提出一种基于形状逼近策略的初始设计方法。采用改进的逆六次多项式策略计算小推力弧段,通过引入B平面参数和推进器开关点时间系数实现行星借力和推滑混合轨道的拼接,将初始设计问题转化为求解混合整数非线性规划问题。为降低规划模型求解难度,通过参数变换对模型进行简化处理,并采用具有全局大范围搜索能力的改进微分进化算法求解最优设计参数。数值结果表明:相比正弦指数曲线设计方法,本文方法可以有效对交会型转移轨道进行设计,并且可以提供更少燃料消耗的探测机会。

星际探测借力飞行轨道的混合设计方法研究

以金星借力探测火星为背景,针对传统借力飞行轨道设计方法中存在的问题,提出了一种星际探测借力飞行轨道的混合设计方法。该方法在分析借力天体特性的基础上,采用等高线图给出可能出现借力参数匹配的区域,提出"软匹配"策略进行轨道拼接,采用混合优化设计方法得到轨道优化设计参数,有效地解决了传统方法对一些满足约束条件转移轨道方案的遗漏问题。本文以2017-2018年金星借力探测火星为例给出了设计结果,设计参数与M.Okutsu给出的一致,同时还得到了该参数区域一个新的借力轨道转移方案。此外,本文还对2010-2018年采用金星借力探测火星的转移轨道进行了研究,给出了金星借力探测火星较好的设计参数区域,这些研究对于未来可能的火星探测任务的设计与规划具有重要的参考意义。

基于椭圆型限制性三体模型的借力飞行机理研究

针对星际探测中的借力飞行技术,基于椭圆型限制性三体模型,深入研究了借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。在椭圆型限制性三体问题的假设下,通过正向和逆向积分相结合的方法,重点研究了借力天体轨道偏心率和相位角对借力飞行逃逸和俘获区域参数变化的影响,同时分析了借力天体轨道偏心率和相位角对借力飞行实现顺行轨道与逆行轨道转变区域参数变化的影响,并以地月系统引力参数为例,分析了借力天体分别对应不同轨道偏心率和相位角时,前向和后向飞越情况下,借力飞行对轨道能量和角动量的影响,总结出了相应的变化规律。这些研究对于借力飞行轨道的设计与应用具有重要的参考意义。

基于圆型限制性三体模型的借力飞行机理研究

针对星际探测中的借力飞行技术,基于圆型限制性三体模型,深入研究了全相位角情况下借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。在圆型限制性三体问题的假设下,通过正向与逆向积分相结合的方法,给出了圆型限制性三体系统中,通过借力飞行实现逃逸与俘获以及顺行轨道与逆行轨道转变的条件,并以地月系统为例,给出了通过月球借力飞行实现地月系统俘获与逃逸的借力飞行参数选择区域。同时,也给出了通过月球借力飞行实现轨道类型转变的参数变化范围。最后,讨论分析了借力飞行高度、速度和借力相位角对借力飞行轨道能量变化量的影响,进一步揭示借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。

太阳高纬探测器的借力飞行轨道设计

行星借力飞行技术可以节省深空探测任务的能量消耗.针对借助内行星引力向太阳高纬度发射探测器这一科学任务,分别以金星和地球为借力星体,运用圆锥曲线拼接法,通过求解兰伯特问题绘制能量等高线图,搜索多天体交会发射机会,设计探测器与借力体轨道周期之比为1∶1或2∶3的多次借力行星际轨道,获得相对黄道面成大倾角的目标轨道.分析表明,采用多天体交会借力相比单天体借力可大大降低发射能量;3次借用金星或者地球的引力可以使探测器轨道相对黄道面的倾角达到30°左右;3次地球借力轨道性能为最优,需要的地球发射能量更低,而且飞行器进入目标轨道之前的转移时间较短.

附加深空机动的借力飞行全局优化

借力飞行轨道设计是一个多变量强约束的非线性优化问题,初始方案通常采用不需要初值猜测的全局优化算法进行优化,但是借力点处的C3匹配原则等较强的约束条件极大影响了全局算法的收敛性能.针对这一问题,研究了附加深空机动的借力飞行模型,在借力点处引入B平面和辅助转角,推导了离开超越速度的解析表达式,通过求解Lambert问题和轨道递推得到日心转移段的深空机动脉冲.利用微分进化算法对问题进行优化,结合木星探测算例,对VEE(Venus-Earth-Earth),VEME(Venus-Earth-Mars-Earth)和VEVE(venus-Earth-Venus-Earth)三种深空机动借力飞行方案进行优化,给出了优化结果.

深空探测器借力飞行段的自主光学导航方法

提出了一种用于探测器借力飞行段的自主光学导航方案。该方案利用星敏感器以及光学导航相机,通过测量恒星平行光方向及对行星张角,利用几何关系计算出探测器的相对位置,并利用扩展卡尔曼滤波算法进行修正,最后通过仿真验证了这种自主光学导航方案的可行性。

一种小推力借力飞行转移轨道初始设计方法

提出一种基于正弦指数函数的小推力借力飞行转移轨道初始设计方法。建立极坐标形式的正弦指数函数表达式,用于模拟小推力转移轨道,并用绕圈参数和飞行路径角对转移轨道的参数进行表征;在约束条件下对转移轨道参数进行离散化处理,求解转移轨道与目标星投射轨道在参考面内的交点,计算到达目标轨道时刻的极角,进而得出小推力转移轨道的初始设计参数;设计了地球—木星的火星借力小推力转移轨道,仿真结果验证了该方法在小推力转移轨道初始设计中的快速性与准确性。

木星探测小推力借力飞行轨道的全局优化

以木星探测为背景,研究小推力借力飞行轨道的全局优化问题,建立了基于脉冲借力和指数正弦小推力的全局优化模型.首先对指数正弦法进行简要介绍,并对基于指数正弦的小推力Lambert问题进行分析.针对木星探测,选择3种借力方案,采用微分进化算法进行全局优化.数值仿真结果表明,"地球-火星-木星"借力方案最好,全局优化模型满足初步设计要求,并可作为精确设计的初值猜测.

基于借力飞行技术的星际多目标交会转移轨道设计

针对深空探测中的转移轨道问题,提出一种星际多目标交会转移轨道设计方法。该方法基于Tisserand原理,采用能量曲线确定交会目标的序列,由Pork-Chop图确定设计参数的可行域和时序,避免了传统方法在交会目标序列和初始轨道段设计中的缺陷。将多目标交会转移轨道设计问题归结为一种非线性多约束多变量搜索寻优问题,通过梯度下降法,选取目标函数的负梯度方向作为每步迭代的搜索方向,逐步逼近目标函数的极小值点,从而使转移轨道优化问题得到简化。最后,将本文的设计方法用于解决欧空局的ROSETTA任务深空转移轨道的设计,设计结果与欧空局公布的结果一致,从而验证了该设计方法的可行性和正确性。

用DE求解最小能量借力飞行问题

提出了一种差分演化算法(DE)以求解最小能量借力飞行问题。分析借力飞行的物理过程,用演化算法给出最小能量借力飞行的优化模型。优化算例表明:该算法结果较文献更优。

深空探测行星借力飞行轨道自动设计与仿真

深空探测任务中直接转移轨道一般需要较大的能量,借力飞行技术可以降低从地球的发射能量,经过多次天体借力到达目标星体,并可以一次探测多个天体。通过多天体的P-Rp图推测可能存在的多天体交会借力飞行方案,求解兰伯特问题,根据圆锥曲线拼接法搜索能量等高线图中匹配的C3,最后找出发射窗口。设计并研制了轨道方案与窗口自动搜索软件,通过EVEEJ的借力飞行方案,及其在STK软件中的仿真,验证设计方法的可行性及软件的正确、可靠性。给出了借力飞行技术的完整设计方法,为进行太阳系深空探测活动的行星借力飞行轨道设计提供参考。

火星探测无动力借力飞行轨道研究

对无动力情形的借金星引力辅助变轨进行了研究,并完成了火星探测轨道的设计;首先使用Jacobi积分得到了蒂塞朗准则,在利用速度矢量图对借力飞行轨道的特性进行分析后,得到了Williams提出的C3匹配法,证明了蒂塞朗准则和C3匹配的同一性;在搜索借力飞行的可行性转移轨道中,采用C3匹配对借金星引力的火星探测轨道进行了仿真,并对结果进行了分析,最后使用蒂塞朗准则对C3匹配的仿真结果进行了检验。

脉冲辅助的借力飞行轨道设计

以借助金星引力的火星探测器轨道设计为背景,针对借力前后可能存在的速度不匹配问题,提出了一种脉冲辅助借力的解决方式。分析了脉冲大小和脉冲作用方向对借力前后速度和能量的影响。其次,结合借力过程的理论分析,将之用到金星借力的火星轨道设计中,用遗传算法对借力飞行轨道的参数进行优化。最后,通过与无动力借力方式和深空机动方式所需要总能量大小的比较,得出脉冲辅助借力飞行方式需要更低能量的结论。

不同月球借力约束下的地月Halo轨道转移轨道设计

针对地月系L2点不同任务需求下的低耗能转移轨道设计问题,基于不变流形理论与混合优化技术,深入研究了不同月球借力约束与不同幅值Halo轨道的入轨点(简称HOI点)对转移轨道飞行时间与燃料消耗的影响,给出了HOI点选择策略。首先结合任务要求并考虑月球引力影响,在月球借力点施加不同约束条件,通过微分修正算法调整Halo轨道的稳定流形,设计月球到Halo轨道的转移轨道。采用遗传算法与微分修正算法相结合的混合优化策略,在同时考虑地球停泊轨道高度、倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下,对燃料最优的地月转移轨道进行研究。最后,分析月球借力高度、借力方位角和不同HOI点对平动点转移轨道飞行时间与燃耗变化量的影响,对于考虑月球借力的地月平动点转移轨道设计与应用具有重要的参考价值。

气动-引力辅助转移轨道研究及在星际探测中的应用

借力飞行是减小星际探测任务发射能量和总的速度增量的有效途径,然而,借力飞行前后,探测器速度矢量转角的变化往往受到借力星体体积、质量等因素的影响,而不能达到理想的要求。若在借力飞行中引入气动辅助变轨,即气动-引力辅助转移(AGA),则这一问题可以得到有效解决。现通过对AGA转移轨道的分析,给出了AGA转移轨道设计的拼接条件,此拼接条件是对AGA转移轨道进行设计和分析的重要准则。同时还以探测Ivar小行星为例,提出了一种将绘制等高线图和圆锥曲线拼接相结合的设计AGA转移轨道的方法,并给出了设计探测Ivar小行星转移轨道的参数。数值计算表明:AGA转移方法不但可以降低远程星际探测任务的发射能量和总的速度增量,而且可以找到更多的探测机会。

星际小推力转移任务发射机会的快速搜索方法

结合小推力与借力飞行技术可为星际探测任务提供更多行之有效的转移方案。现针对此类探测任务的发射机会搜索问题,基于Shape-Based理论,提出了一种新的快速搜索算法。该算法通过引入目标星体的状态约束,建立起初始飞行角与转移时间之间单调映射关系,从而实现了可行性轨道的快速解算;然后,综合考虑任务及轨道动力学约束条件,给出了搜索参数的合理搜索域。与传统搜索算法相比,该算法有效降低了搜索维数,减少了搜索空间,提高了计算效率。最后,以近地小行星1627Ivar为例,搜索了其在2010~2016年采用火星借力进行探测的发射机会,验证了本文方法的有效性。

国外木星系环绕飞行任务规划研究

调研了国外3项典型的木星系环绕任务(伽利略号、朱诺号和木星冰卫星探测器(JUICE)),归纳总结了行星借力飞行、利用天体摄动演化轨道、高精度导航、限制近木点高度以及利用飞越实现任务拓展等任务规划方法。最后,提出了我国木星系环绕探测任务规划的初步设想,即以木星和木卫二为主要探测目标,采用金星-地球-地球的地木转移借力序列,以及基于木卫二、木卫三和木卫四借力方式开展木星系探测任务规划,实现飞掠、环绕和穿透多种方式的木星系探测任务。

基于地球引力变轨的日冕探测器轨道设计

研究了相对黄道面有一定倾角的探测器轨道设计的问题。以金星借力轨道设计为例,分析了轨道偏心率与轨道倾角增量之间的关系。根据C3匹配原理搜索了“地球-中间天体-地球”多天体交会的发射窗口。最后,设计了与地球轨道周期相等的三次地球借力轨道,该轨道倾角可以达到黄纬30°以上。理论分析及仿真结果表明:基于地球引力设计此类轨道时,应采用多天体交会方案,才能既保证地球逃逸能量低,又保证首次飞入地球影响球前轨道偏心率较大的双重指标;同时应采用多次地球借力方案,该方案具有每次借力后轨道偏心率逐渐减小的特点,当其减小到零时,再次借力后轨道倾角不会继续增加。

结合深空机动的多次行星借力轨道设计

行星借力技术是减小星际探测任务发射能量的有效途径,传统的行星借力模型不能保证探测器借力前后的速度矢量转角达到理想要求。为此,进行了行星借力建模,并基于该模型,推导了探测器飞出借力天体影响球的双曲线超速矢量。针对轨道设计参数的强耦合性,提出了一种全局-局部混合搜索算法,并对地球-金星-地球-火星-木星转移轨道进行了设计。仿真结果验证了轨道模型的正确性和有效性,表明该文方法可以有效地对多次行星借力轨道进行设计。