三维引力辅助解析分析方法研究

针对星际探测中的引力辅助技术,基于二体问题,导出了三维引力辅助前后飞行器速度、能量、角动量和轨道倾角与引力辅助参数之间的解析公式. 以进行木星引力辅助为例,将解析公式计算的结果与基于圆型限制性三体问题的数值仿真结果进行了对比,各项绝对误差小于0.01,除极少数情况外,相对误差均小于0.7%. 分析结果表明导出的解析公式与实际情况对比具有较高的精度,可以满足引力辅助轨道初步设计的需要. 为了讨论和应用上的方便,对导出的公式进行了简化,据此进一步讨论了引力辅助参数对引力辅助效果的影响.     

卫星在轨道平面内的可达范围研究

对在初始轨道上施加平面内幅值固定的脉冲后卫星的可达范围进行了研究. 考虑脉冲幅值较小、生成轨道均为椭圆的情况. 根据平面曲线族包络线的定义,针对不同任务的需求,考虑脉冲施加点固定而方向任意、脉冲施加点任意而方向固定、脉冲施加点和方向均任意的3种情况,分别给出了确定可达范围边界的方法. 数值仿真表明: 所提出的方法能够确切描述卫星可达范围的边界,所得结论对初始椭圆轨道的偏心率没有限制,可以用于单颗卫星机动范围的评估和不同卫星间安全距离的设计.      

卫星编队构型设计与轨道机动算法优化

卫星编队与轨道机动是完成在轨监视与捕获等空间任务的关键技术。针对追踪航天器在相对目标航天器的绕飞过程中特殊构型的编队飞行问题,提出了三种特殊的编队构型机动方案;针对近距离轨道逼近问题,分析了同平面轨道变轨策略和轨道转移能耗最优化问题,在此基础上给出了三脉冲升降轨机动方法,并可以根据需要将其扩展为N脉冲机动。以目标星运行轨道高度780 km为例进行仿真分析,结果表明平行四边形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量分别为0.1172m/s、0.1843 m/s,而花形编队和菱形编队中追踪星在各交点处完成变轨所需的速度脉冲向量均为0.1978m/s,从而验证了所提出方法的有效性。     

基于偏转距离近似模型的动能撞击小行星防御任务脉冲轨道优化研究

小行星撞击对地球上的生命存在重大潜在威胁,动能撞击是目前最易实现且成熟度最高的防御方案.动能撞击任务的一种轨道优化指标为最大化偏转距离(即小行星被偏转前后近地距的改变量),若用数值积分的方法精确计算偏转距离, 会导致优化效率较低.在动能撞击任务的设计初期, 可以对动力学模型及偏转距离的计算方法进行简化,以提升优化效率. 本文首先将高精度模型简化为二体模型,分析了两种经典偏转距离解析模型的适用条件,同时提出一种基于近地点时刻预估的偏转距离近似模型; 考虑运载约束,将化学推进变轨简化为脉冲推力变轨,建立了直接转移(两脉冲及三脉冲)和行星借力飞行转移(单次及两次借力)的动能撞击轨道优化模型,利用遗传算法求解了优化问题. 以偏转小行星Apophis为例, 相比于解析模型,验证了本文提出的近似模型可以同时提升最优性、降低求解复杂性. 优化结果表明,三脉冲直接转移方案与两脉冲直接转移方案的最优偏转效果基本一致,借力飞行转移方案相比于直接转移方案对偏转距离的提升效果并不明显.在动能撞击任务的前期设计中, 可以基于二体模型进行防御效果的快速评估,虽然对计算偏转距离存在一定误差, 但对防御窗口的优化结果影响不大. 进一步,数值求解偏转距离时, 可通过引入主要引力摄动项(金星、地球、木星)修正二体模型,使其与高精度模型之间的求解误差在1%以下.      

气动力辅助变轨与最优控制研究进展

低成本空间运输是实现人类对太空探索和开发的重要关键之一. 利用气动力的变轨技术, 在大气层的很多变轨任务中可以增加有效载荷质量. 气动力辅助变轨(AOT)和最优控制理论, 尽管早在20世纪60年代就已经开始研究, 但是到现今仍然处于发展中.特别是由推力协同变轨所导致的奇异最优控制问题到目前尚没有完全解决. 研究这些理论的目的是为了确立那些精确分析方法, 以确定在给定约束条件下的最佳策略. 从AOT轨道的精确控制需要和消除各种来源的误差影响看, 至关重要的是制导方案的研究. 一个历史的审视和对这个领域的最新研究都在本文里作出讨论, 由此AOT飞行器的未来研发将为人类开辟通向宇宙之路.      

具有引力场的气体中激波传播的近似理论

本文在三维不定常流体力学特征理论的基础上,运用CCW方法,获得了激波速度的变化和激波阵面曲率、引力的大小和方向之间的解析关系,讨论了引力场对激波的加强和减弱的影响以及超新星爆炸中反弹激波的问题。利用得到的激波面积变化公式,给出了二、三维激波在引力场作用下传播问题的模拟处理方法。作为简单的例子,具体地研究了引力场变密度气体中强激波传播问题。     

气动力辅助变轨的数值模拟

采用了航天器在行星上层大气中进行高超声速飞行时的轨道动力学方程,针对航天器从地球静止轨道转移到一个共面圆形低地轨道的变轨过程,进行了气动力辅助变轨过程的模拟.在变轨过程中,航天器从地球静止轨道开始,经过8次大气路径,耗时43.7小时,到达圆形低地轨道,与霍曼转移进行对比,其所消耗的推进剂质量仅为霍曼转移的41%.研究结果表明:气动力辅助变轨技术能够在降低推进剂消耗的情况下实现航天器的轨道转移.     

航天器集群编队最优单脉冲机动

对航天器集群编队最优单脉冲机动问题进行了研究. 针对不同的任务约束,基于非线性相对运动的周期性条件,以解析的思路分别研究了机动时刻给定和机动时刻未定情况下集群编队的最优单脉冲机动问题. 对于机动时刻给定的情况,从高斯变分方程和基于能量匹配条件的拉格朗日乘子法两个角度分别进行了探讨,将问题转化为对一元二次方程求极值或对一个单零点非线性方程求根;对于机动时刻未定的情况,将问题转化为对一个多零点非线性方程求根,通过傅里叶-贝塞尔级数展开可以得到任意高阶近似解. 对于每种情况,推导得到二范数意义下能量最省对应的最优参考长半轴,以及所施加的最优速度脉冲. 数值仿真验证了本文方法的正确性,并对仿真结果进行了解释和分析.      

第六届全国空间轨道设计竞赛冠军团队解法

第六届全国空间轨道设计竞赛题目乙是一个利用行星引力辅助最快飞出太阳系的轨迹优化问题,本文介绍了国防科学技术大学团队的求解方法. 该方法先基于构建的推力方向固定的小推力引力辅助优化模型得到最优的引力辅助行星序列,再通过对优化模型的改进和推力方向的优化得到更进一步的解. 求解结果表明该方法可以有效地优化出一条最快逃逸的轨道.     

基于物质点法的轨道炮刨削机理三维数值研究

基于轨道炮结构特点以及冲击热力学理论,采用物质点法建立了轨道微颗粒诱发刨削的三维模型,模拟了轨道刨削的形成过程,并对其产生机理与影响因素进行了分析。结果表明:电枢与轨道的局域高速冲击产生瞬时的能量交换,形成的高热高压金属流对轨道表面的斜侵彻作用形成了刨坑;刨削的产生存在速度阈值,超过速度阈值,随着电枢速度增加,刨削越严重;低于速度阈值,可产生轨道擦伤;减小轨道表面微颗粒尺寸、增加电枢头部倾角均可降低刨削损伤。     

A numerical mapping of energy gains in a powered Swing-By maneuver

The present paper studies the effects of a powered Swing-By maneuver, considering the particular and important situations where there are energy gains for the spacecraft. The objective is to map the energy variations obtained from this maneuver as a function of the three parameters that identify the pure gravity Swing-By with a fixed mass ratio (angle of approach, periapsis distance and velocity at periapsis) and the three parameters that define the impulsive maneuver (direction, magnitude and the point where the impulse is applied). The mathematical model used here is the version of the restricted three-body problem that includes the Lemaître regularization, to increase the accuracy of the numerical integrations. It is developed and implemented by an algorithm that obtains the energy variation of the spacecraft with respect to the largest primary of the system in a maneuver where the impulse is applied inside the sphere of influence of the secondary body, during the passage of the spacecraft. The point of application of the impulse is a free parameter, as well as the direction of the impulse. The results make a complete map of the possibilities, including the maximum gains of energy, but also showing alternatives that can be used considering particularities of the mission.     

XNAV/UVNAV/SINS组合导航在航天器轨道机动中的应用

针对X射线脉冲星导航在航天器轨道机动过程中精度不高甚至发散的问题,提出一种将X射线脉冲星导航结合惯性导航和紫外敏感器的组合导航方法。以航天器在惯性系中的位置、速度、姿态四元数和惯性导航设备误差作为系统状态变量,用X射线探测器测量X射线脉冲到达时间,用紫外敏感器测量中心天体质心相对于航天器的方向矢量和距离以及航天器在惯性系中的姿态四元数,用扩展卡尔曼滤波器估计组合导航系统状态。仿真结果验证了该组合导航方法的可行性,能够解决轨道机动中X射线脉冲星单独导航的误差过大(位置误差达107m)问题,且该组合导航具有较高的导航精度,在轨道机动前、机动中和机动后导航位置误差均在100 m以内。     

EQUIVALENT DYNAMICS MODELING AND ANALYSIS OF LIQUID-FILLED SPACECRAFT WITH FUEL CONSUMPTION 1)

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.     

多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.     

燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.      

On optimization of many-revolution low-thrust orbit transfers: Part 2

Quasioptimal and numerical solutions of the exact equations of optimal low-thrust motion in a Newtonian central gravity field are compared. The main properties of the optimal solutions are confirmed. It is established that the characteristic velocity is independent of the spacecraft or constant-thrust engine parameters Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 44, No. 9, pp. 115–122, September 2008.     

Optimization of constant- and variable-thrust propulsion systems

The problem of the transfer of a spacecraft with maximum payload from a fixed circular orbit to a given noncoplanar circular orbit in a spherical gravity field is solved. The spacecraft is equipped with constant-power electric propulsion and energy storage. The cases of variable-thrust and constant-thrust propulsion are considered. The increase in the payload mass due to the energy storage is estimated in both cases. The optimal time dependence of controls and the optimal relations between the mass parameters of the propulsion system are established. The ranges of these parameters where it makes sense to store energy are identified