第十二届全国(中国)空间轨道设计竞赛:地月空间助力火星移民和近地小行星探测

本文首先简要介绍了全国(中国)空间轨道设计竞赛的发展概况和第十二届全国(中国)空间轨道设计竞赛题目的研究背景。然后介绍并解读了“可重复使用地火运输空间站火星移民”“可重复使用探测器飞越探测近地小行星”两组竞赛题目,回顾了竞赛组织历程,分析了竞赛最终提交结果。最后简要陈述了赛后交流和研讨情况以及总结和展望。此外,文中各章节对本竞赛区别于其他学科竞赛的若干特色也进行了简要陈述。

基于震后复旧工程的断裂带区域轨道设计借鉴

针对兰新高铁震后轨道伤损评估及复旧工程设计无章可依且无经验可借鉴的情况,基于震后复旧工程设计,对断裂带区域轨道结构选型与设计有关经验进行分析。除大梁隧道F5断裂外,钢轨扭曲变形及扣件破坏主要发生在硫磺沟大桥上,是由地震荷载下桥梁支座螺栓剪断后梁体移位落梁,相邻梁体变形差异大引起。道床板存在局部1~2 m范围碎裂,主要与地震横波、纵波传递过程中的叠加有关。个别段落出现轨道不平顺超限的情况,主要是受线下基础类型和地质条件差异等因素影响。震后复旧工程应首先基于基准点的测设与平差开展区域性线形重构与拟合;断裂带区域轨道设防长度根据有砟轨道养护维修最小段落长度确定,不能满足震后轨道结构的调整需求,建议结合预估错位量及线路拟合范围、轨道调整能力综合确定;近断裂带区域无砟轨道建议采用无挡肩轨枕,在地震情况下使扣件弹条或者锚固螺栓发生破坏,而轨枕保持完整,以降低震后复旧工程难度及代价;为确保特殊条件下的整治效果,建议采取特种整治措施。

“嫦娥”六号任务轨道设计技术创新与启示

“嫦娥”六号任务是人类首次月背采样返回任务,其飞行任务的轨道设计面临着全新的挑战。研制团队在“嫦娥”五号成功经验的基础上,以完成月背采样返回的新任务为目标,以“嫦娥”五号与“嫦娥”六号任务之间的差异分析为抓手,突破了逆行环月轨道设计与控制、飞行时序适应性调整、三脉冲定时定点与按时起飞的近月制动控制策略、变射向变转移时间地月转移轨道设计和返回轨道适应性调整等关键技术。首先给出了“嫦娥”六号的飞行阶段划分,随后介绍了轨道设计的技术创新和亮点,最后阐述了轨道设计工作中获得的经验与启示。

致密油“井工厂”水平井组“勺形”井眼轨道设计

“井工厂”水平井作业模式是高效开发致密油的关键技术之一,已在国内外广泛应用,国内尚处起步阶段。采用常规三维井眼轨道设计方法设计的水平井组,在两井排靶区之间出现了较大面积的死油区,石油资源不能被有效动用,国外采用勺形井眼轨道解决了这一问题。勺形井眼轨道在造斜点位置开始反向钻进,钻进一段后再次造斜向着靶区钻进,这能更早钻遇储层,减少死油区面积。通过研究勺形井眼轨道的特征,结合三维井眼轨道设计理论,得出勺形井眼轨道设计的关键在于优化靶前距。由于“井工厂”井眼间距很小以及勺形井眼轨道具有反向钻进特征,可能会导致井排井眼在直井段、造斜初始井段、入靶前井段等位置出现相碰风险,为了减小相碰风险,提出了优化井场布局、错开造斜点和靶区位置的“井工厂”水平井作业轨道优化设计方法。对新疆昌吉致密油田一组双排六口井的“井工厂”水平井组进行了设计对比,采用常规井眼轨道设计方法死油区面积达到468000m^(2),而采用本文提出的井眼轨道优化设计方法死油区基本上可忽略不计,该方法使得“井工厂”水平井组能更加有效地开发致密油。对井眼相碰风险和摩阻扭矩分析表明,优化设计方法能降低井眼相碰风险,勺形井眼轨道对摩阻扭矩的影响有限,水平段钻进能正常延伸。

近月空间星座轨道设计方法

结合未来月球探测任务对中继通信及月面导航的需求,提出一种近月空间星座轨道构型设计方法。首先梳理了中继通信、月面导航、建设及维护成本三个方面的星座设计指标,并应用层次分析法确定了各项指标的权重,给出综合评价指标;充分考虑近月空间轨道资源,分析各类轨道的性质,初步筛选适合部署星座的轨道类型;提出一种近月空间星座建设路线,分三个阶段逐步实现全月的100%四重覆盖;依次设计三个阶段的星座构型,对每个阶段,比较不同的构型方案,选择综合评价指标最优的构型方案。基于上述方法得到了近月空间星座建设方案:第一阶段部署2颗椭圆冻结轨道卫星,可为月球南极极区提供全时对地中继通信;第二阶段部署6颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L2晕轨道卫星,可为月球南极极区提供全时导航定位,并为全月面提供全时对地通信;第三阶段部署4颗椭圆冻结轨道卫星、2颗近直线晕轨道卫星、1颗L1晕轨道卫星、3颗远距离逆行轨道卫星,可为全月提供全时导航定位。对全月任一点,该星座的几何精度衰减因子小于5的时间至少占72%,可长时间为全月面提供高精度导航定位。相较于现有文献,该近月空间星座设计方法考虑的轨道类型更丰富,星座性能指标更全面,且创新性地提出了分阶段的近月空间星座建设方案。

空间多目标掠飞观测接近轨道设计方法

针对当前的天基空间观测任务中存在的观测效率低、燃料不足等问题,基于粒子群算法与空间多目标观测模型提出一种空间多目标掠飞观测的接近轨道设计方法以实现观测器在不变轨道的情况下实现对特定多目标的近距离掠飞观测。结合两轨道卫星的距离计算与天光地影条件建立空间多目标观测模型。利用粒子群算法对观测器轨道六根数优化,得到对特定多目标的综合最近距离观测的最优轨道,以轨道高度差产生的周期差抵消目标与交线处位置的相位差,以消耗时间为代价得到了最省燃料的方式。利用仿真说明了该轨道设计方法的有效性。

卫星轨道设计辅助火星中分辨率影像仿真

提出了一种由卫星轨道根数计算影像外方位元素,进行中分辨率影像仿真的策略。首先设定卫星在短时间内的若干组飞行状态,由轨道动力学的定轨问题确定卫星的轨道根数。其次,由轨道根数计算影像的外方位元素,并进行影像仿真,通过光线追踪原理和火星全球DEM修正高程迭代计算,实现逐像素点的地面点精确定位。最终对火星全球影像数据重采样获得感兴趣区域的仿真影像。实验表明,该方法可顾及航向和旁向重叠度的要求,利用真实数据获得长时间段内感兴趣区域的多组仿真影像,为探测项目前期验证卫星轨道和相机参数提供支持。

变电所巡检轨道设计及安装关键技术研究

变电所是电力系统中的重要组成部分,负责将输送来的高压电能转换为适用于供电网络的低压电能。为了确保变电所的正常运行和安全性,巡检工作显得尤为重要。巡检轨道的设计和安装是巡检工作的基础,对于提高巡检效率、减少人力资源投入具有重要意义。基于此,本研究旨在探讨变电所巡检轨道设计及安装的关键技术,以期为变电所巡检工作提供科学、高效的解决方案,旨在为变电所巡检工作的改进和优化提供有益的参考和指导,推动电力系统的可持续发展。

地震监测SAR卫星需求分析与轨道设计

通过对SAR卫星在地震监测任务中的需求分析,确定者这种卫星应该具备干涉和大视角两种工作模式,并利用太阳同步准回归轨道设计方法初步进行了地震监测SAR卫星的轨道设计。

精确动力学模型下的火星探测轨道设计

首先在二体意义下采用粒子群优化算法(PSO)求解Lambert问题,确定发射窗口和二体地火转移轨道。使用圆锥曲线拼接法设计地心停泊轨道、逃逸轨道,并作为轨道精确设计的初值,以建立在火星的B平面参数和地火转移时间为约束,在精确动力学模型下进行微分迭代修正,最终得到满足约束的精确轨道。将设计轨道在STK软件中仿真,结果吻合。

基于Hill方程的编队卫星群运动分析与轨道设计

从Hill方程出发 ,研究了绕飞轨道的性质及编队卫星群的轨道设计方法。从三方面对绕飞轨道进行了描述 :坐标平面投影 ,与坐标平面的夹角 ,绕飞轨道根数。编队卫星群的轨道设计分两步进行 :先求基本环绕卫星的轨道根数 ;再求其它环绕卫星的轨道根数。仿真结果表明 。

十年一剑刃锋利，苦寒方得梅花香——全国空间轨道设计竞赛发展历程回顾

全国空间轨道设计竞赛(China Trajectory Optimization Competition,简称CTOC)依托中国力学学会,自2009年创办以来,至今已经成功举办了十届。经过十年来的不懈努力,CTOC为国内各高校及研究机构提供了空间轨道设计与优化研究的交流平台,既为我国的空间探索与应用领域选拔和储备了后备人才,又为该领域的工程实践提供了知识储备。本文以时间为主线,回顾了全国空间轨道设计竞赛十年来的发展历程以及所取得的成效,归纳总结了该竞赛的主要特色与创新。

圆轨道近程自主交会轨道设计

采用线性化CW方程研究了空间飞行器近程自主交会轨道设计问题。结合多冲量滑移算法和工程上对交会时间的要求,提出了快速、指数及慢速滑移轨道的概念,给出了三种轨道的设计方法和实现算法。本方法可以实现接近操作减速以及撤离操作加速的任务要求。通过仿真对接近和撤离等交会操作进行了验证,仿真结果表明设计方法可行,满足交会任务对时间及状态参数变化规律的要求。

嫦娥五号月球轨道交会对接远程导引轨道设计与飞行实践

结合月球轨道交会对接任务的特殊性和中国探月工程的实际工程约束,介绍了嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计,包括轨道器调相和上升器远程导引两方面内容,重点介绍了月球轨道交会对接远程导引多脉冲调相轨道方案的选择、标称轨道优化设计、轨控策略和误差分析结果以及实际飞行轨道控制的情况。飞行实践数据分析表明:嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计是正确合理的,实际飞行的速度增量满足推进剂预算的要求,全飞行过程测控条件良好,交班点控制精度完全满足转自主控制的要求,有力保障了交会对接和样品转移的顺利完成。

卫星任务分析与轨道设计数字化平台

针对卫星一体化、数字化设计的趋势,以通用卫星分析工具STK(SatelliteToolKit)为基础,利用STK/CON模块提供的接口功能,把面向用户要求的轨道设计程序与STK强大的演示和验证功能通过VC++编成的外部命令结合起来。在针对用户不同任务要求基础上实现了集设计、分析、仿真、验证和强大数据功能于一体的卫星任务分析与轨道设计数字化平台。该平台可以实现卫星轨道设计的全数字化、快速化、可视化以及多功能性,为卫星轨道设计方案的优选、优化和验证提供基础。

煤层气水平井连通井组轨道设计与控制方法

煤层气水平井组由一口或几口水平井与一口洞穴直井连通,共同利用该直井进行采气作业,因此煤层气水平井需进行两井连通作业。依据煤层气水平井组的特点,建立了以煤层气水平井为基准的坐标体系,并推出了两井坐标体系的转换公式;考虑到连通井段短和轨道控制要求高的特点,优选出增—增—稳设计剖面,并建立了分段轨道优化设计方法;以逐步缩小洞穴井与水平井相对位置的不确定性椭圆范围为目标,提出了煤层气水平井轨道测量的方法及稳斜扭方位的轨道控制模型。通过以上的基础研究,形成了较系统的水平井连通井组轨道设计与控制方法,并结合现场应用进行了连通轨道控制的分析。

从空间站出发的奔月轨道设计

由于空间站的运行轨道在惯性空间是已经确定的,因此对于基于空间站组装的月球探测器,需要对其奔月轨道做出专门设计。本文结合月球的运动规律,建立了完整的奔月轨道数学模型,并结合工程的实际背景,给出了相应的约束条件,从而将轨道设计问题转化为求解满足一系列约束条件的轨道动力学方程。然后通过选取合理的优化目标和约束参数,利用遗传算法和SQP算法进行求解,计算得到了满足条件的奔月轨道参数。最后,将得到的初步设计结果,与STK计算结果进行了比较,进一步验证了结论的正确性。

混合遗传算法及其在运载火箭最优上升轨道设计中的应用

运载火箭最优上升轨道设计问题是一类终端时刻未定、终端约束苛刻的最优控制问题,经典算法求解这类问题时收敛性差、局部收敛等问题表现得比较突出。针对上述问题,将具有良好全局收敛性的遗传算法应用到运载火箭最优上升段设计问题求解中,为了提高遗传算法的收敛速度和克服早熟问题,结合遗传算法和单纯型算法的优点,设计了两种混合遗传算法。计算结果表明,所设计的混合遗传算法是求解复杂问题的有效全局优化方法,可以成功地解决一类终端时刻可变飞行器最优控制问题。

绕月自由返回飞行任务的轨道设计方法

针对绕月自由返回飞行提出一种任务轨道设计方法。在双二体模型下基于圆锥曲线拼接和能量匹配原则迭代计算初值,采用Broyden法构造新的微分修正格式,在精确模型下分别针对三组不同的目标变量和目标值对初值进行逐级修正使之满足再入参数。采用简单迭代调整近地点时刻、飞行时间完成发射弹道拼接和落点位置匹配,迭代初值根据落点纬度插值确定,插值表通过对若干飞行时间进行初值计算和发射弹道拼接构造。算例表明,该流程能够扩展初值计算的适用范围,具有良好的收敛性和计算效率。

三维水平井轨道设计

在水平井设计中，通常是先设计出水平段，然后再设计着陆点以上的井段。水平段的设计主要是以满足地质条件和勘探开发要求为目的，其设计方案一经确定，着陆点的位置和井眼方向以及水平段的井眼轨道形态就被确定下来；而上部井段的设计则更多地是体现钻井工程的需要，这种限定了目标点井眼方向的井眼轨道设计，在数学模型上相当于增加了约束条件，因此增加了问题的难度和复杂性。文中应用自然曲线模型，提出了具有普遍适用性的三维水平井轨道设计方法，其工程意义简洁、明确，适用于水平井的各种剖面，并给出了设计实例。