REVIEW ON OPTIMIZATION OF ASTEROID CAPTURE ORBITS

小行星捕获对研究行星起源、地球生命来源、防御小行星撞击地球和开采行星矿产资源具有重要的意义。由于现有的推进器能力不足,小行星捕获任务中优化小行星捕获所需要的速度增量是任务成败的关键。本文分别从利用引力辅助轨道优化、连续小推力轨迹优化、小行星捕获任务轨道优化设计及小行星临时捕获等4 个方向介绍小行星捕获轨道优化方面国内外研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,尝试展望小行星捕获轨道优化研究的未来发展趋势。     

小行星捕获轨道优化研究综述

小行星捕获对研究行星起源、地球生命来源、防御小行星撞击地球和开采行星矿产资源具有重要的意义。由于现有的推进器能力不足,小行星捕获任务中优化小行星捕获所需要的速度增量是任务成败的关键。本文分别从利用引力辅助轨道优化、连续小推力轨迹优化、小行星捕获任务轨道优化设计及小行星临时捕获等4个方向介绍小行星捕获轨道优化方面国内外研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,尝试展望小行星捕获轨道优化研究的未来发展趋势。     

双小行星探测轨道动力学研究进展

双小行星系统由在万有引力作用下彼此环绕的两颗小行星组成, 对研究太阳系起源、行星系统演化和行星防御都具有重要的价值, 近年来成为行星科学和航天动力学研究的热门对象, 对双小行星系统的原位探测也即将迎来热潮. 双小行星系统的独特构型和附近的复杂动力学环境为探测器轨道动力学和任务设计带来了全新的挑战, 为应对这些挑战所进行的研究也推动了轨道动力学基础理论的发展. 本文对双小行星探测轨道动力学的研究进展进行综述, 首先介绍了双小行星研究和探测的背景及意义, 简要阐述了双小行星系统形成理论及其附近轨道动力学的研究概况. 其次, 介绍了双小行星系统不规则引力场和相互引力势的建模方法, 进而展示了双星的姿态轨道耦合动力学, 即完全二体问题, 包括双星相对运动的平衡构型和稳定性. 接着, 介绍了描述双星附近探测器轨道运动的限制性完全三体问题的动力学模型, 以及该模型下的平动点、平动点周期轨道、大范围周期轨道、转移轨道和轨道维持等方面的研究进展. 第四部分综述了环绕双小行星系统单颗星的受摄二体问题, 以轨道摄动理论和行星系统中受摄二体问题的研究现状为背景, 介绍了环绕双小行星系统主星的半解析轨道动力学建模与轨道稳定性分析. 之后, 介绍了目前面向探测任务需求和考虑实际约束的轨道动力学研究和轨道设计. 最后, 基于目前研究进展, 分析了面临的若干问题, 对未来双小行星探测轨道动力学及相关技术的发展进行了讨论和展望.      

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。     

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.     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

基于脉冲星和小行星的组合导航在深空巡航段的应用

为提高航天器在深空探测巡航段的自主导航能力,提出一种利用脉冲星和小行星信息的自主导航系统.利用单X射线探测器测量脉冲星辐射的光子到达时间,利用导航相机获取小行星图像,经信号处理,获取脉冲星的脉冲到达时间和小行星中心点对应的像元像线,利用集中式扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计,并修正星载时钟钟差.以美国“深空一号”任务深空巡航段轨道为例进行了仿真实验,仿真结果表明了该方法的有效性,能够完成深空探测器在巡航段的自主导航任务,同时,组合导航解决了基于小行星光学信息单独导航时的星载时钟钟差发散问题,且同光学导航相比,位置估计精度提高了57.18％.     

碎石堆小行星的散体动力学建模与仿真方法综述

探测小行星将是未来几十年内航天界的研究热点. 现有资料表明小行星多为疏松多孔的碎石堆结构,易受探测活动的影响而破碎瓦解,因此对其探测必须先进行动力学建模,研究探测活动与小行星结构的相互作用,确保探测任务顺利执行. 在中国即将开展小行星探测任务的背景下,调研分析了散体动力学的研究和发展情况;并根据国内外的相关研究,对目前碎石堆小行星动力学模型与数值模拟方法的研究进行了综述;最后,结合小行星探测的应用背景,总结了小行星散体动力学模型中需解决的关键问题.      

基于参激共振的受摄小行星悬停轨道设计方法

本文将太阳引力摄动视为受摄不规则小行星系统的组成部分,借鉴非线性振动理论中参数激励共振的概念,创新性地设计了不规则小行星平衡点附近稳定的悬停观测轨道.为了同时考虑不规则小行星引力和太阳引力, 本文采用受摄粒杆模型描述系统.通过对未扰系统平衡点以及固有频率的分析, 给出系统存在参激共振轨道的条件.再以第二类参激主共振和1:3内共振为例,采用多尺度方法求得参数激励共振轨道的稳态解, 并对稳态解的稳定性进行判断.通过受摄小行星系统的幅频响应曲线以及力频响应曲线分析了系统的非线性特性以及参数激励效应.此外, 对内共振引起的长短周期能量转移现象进行了分析.本文的研究成果可以拓展现有小行星系统周期轨道族设计方法.      

带脉冲的三维引力辅助变轨研究

在引力辅助过程中施加脉冲可以有效地改善变轨效果.目前只能对施加小脉冲的情况进行近似计算,当脉冲大于近拱点速度的1%时无法进行分析.针对这一问题,提出了一种解析分析方法,可以计算施加任意大小和方向脉冲的三维引力辅助变轨.基于二体问题,建立了带任意脉冲的三维引力辅助模型,采用8个相互独立的参数对模型进行描述,其中5个参数表征三维引力辅助、一个参数表征脉冲的大小、两个参数表征脉冲的方向;建立了一组坐标系,可以方便地对轨道进行描述;以施加脉冲为界,将轨道划分为前后两段,分别进行公式推导;应用双曲线轨道动力学与坐标变换等技术方法,可以将飞行器的位置矢量和速度矢量表示为上述8个参数的解析公式,进而可以求出变轨导致的速度、能量和轨道倾角的变化量.通过与基于圆型限制性三体问题的数值仿真结果进行对比,验证公式的有效性.应用导出的解析公式分析了施加脉冲的大小和方向对飞行器能量和轨道倾角的影响,并给出了相应规律.结果表明:以最大能量改变为优化目标,施加脉冲的最优方向往往并不是该点速度方向;轨道倾角受到脉冲方向的影响显著.      

Optimal design of near-Earth asteroid sample-return trajectories in the Sun–Earth–Moon system

In the 6th edition of the Chinese Space Trajectory Design Competition held in 2014, a near-Earth asteroid sample-return trajectory design problem was released, in which the motion of the spacecraft is modeled in multi-body dynamics, considering the gravitational forces of the Sun,Earth, and Moon. It is proposed that an electric-propulsion spacecraft initially parking in a circular 200-km-altitude low Earth orbit is expected to rendezvous with an asteroid and carry as much sample as possible back to the Earth in a10-year time frame. The team from the Technology and Engineering Center for Space Utilization, Chinese Academy of Sciences has reported a solution with an asteroid sample mass of 328 tons, which is ranked first in the competition.In this article, we will present our design and optimization methods, primarily including overall analysis, target selection, escape from and capture by the Earth–Moon system,and optimization of impulsive and low-thrust trajectories that are modeled in multi-body dynamics. The orbital resonance concept and lunar gravity assists are considered key techniques employed for trajectory design. The reported solution, preliminarily revealing the feasibility of returning a hundreds-of-tons asteroid or asteroid sample, envisions future space missions relating to near-Earth asteroid exploration.     

Low-thrust trajectory optimization in a full ephemeris model

The low-thrust trajectory optimization with complicated constraints must be considered in practical engineering. In most literature, this problem is simplified into a two-body model in which the spacecraft is subject to the gravitational force at the center of mass and the spacecraft＇s own electric propulsion only, and the gravity assist （GA） is modeled as an instantaneous velocity increment. This paper presents a method to solve the fuel-optimal problem of low-thrust trajectory with complicated constraints in a full ephemeris model, which is closer to practical engineering conditions. First, it introduces various perturbations, including a third body＇s gravity, the nonspherical perturbation and the solar radiation pressure in a dynamic equation. Second, it builds two types of equivalent inner constraints to describe the GA. At the same time, the present paper applies a series of techniques, such as a homotopic approach, to enhance the possibility of convergence of the global optimal solution.     

Design of low-energy transfer from lunar orbit to asteroid in the Sun-Earth-Moon system

Asteroid exploration trajectories which start from a lunar orbit are investigated in this work.It is assumed that the probe departs from lunar orbit and returns to the vicinity of Earth,then escapes from the Earth by performing a perigee maneuver.A low-energy transfer in Sun-EarthMoon system is adopted.First,the feasible region of lowenergy transfer from lunar orbit to perigee within 5 000 km height above the Earth surface in Sun-Earth-Moon system is calculated and analyzed.Three transfer types are found,i.e.,large maneuver and fast transfers,small maneuver and fast transfers,and disordered and slow transfers.Most of feasibility trajectories belong to the first two types.Then,the lowenergy trajectory leg from lunar orbit to perigee and a heliocentric trajectory leg from perigee to asteroid are patched by a perigee maneuver.The optimal full-transfer trajectory is obtained by exploiting the differential evolution algorithm.Finally,taking 4179 Toutatis asteroid as the target,some low-energy transfer trajectories are obtained and analyzed.     

不同重力场下颗粒冲击过程的离散元分析

开展不同重力场下颗粒材料冲击动力学研究有助于加深对颗粒运动机制的理解和深空探测任务的实施。本文采用离散元模拟对颗粒介质受球形冲击物的冲击过程进行了数值模拟，并与地球重力下冲击的试验结果进行对比验证。在此基础上，进一步研究了重力加速度对冲击物动力学的影响规律。计算结果表明，在所有重力加速度下，冲击物的穿透深度d与冲击速度v₀的关系可以用Poncelet模型表达；d与冲击物下落的总高度H表现为d～Hⁿ的幂律关系，当H<10 m时，d与H的幂率标度为0.322,而H>10 m时，d与H的幂率标度下降到0.211。此外，穿透深度小于冲击物半径时，重力加速度对冲击物减速过程无影响。在所有的重力加速度下，当冲击速度大于5 m/s时，冲击物的持续碰撞时间t_c是恒定的，且与重力的-1/2次方呈正比。     

基于微分进化算法的深空轨道全局优化设计

针对多目标多任务的深空探测轨道设计问题,提出一种新的将探测目标、探测方式、探测顺序以及发射窗口同时作为优化变量, 并采用微分进化算法进行全局优化的设计方法. 使用该方法在只考虑太阳中心引力作用的二体模型下,基于圆锥曲线拼接法建立第三届全国深空轨道设计竞赛问题的优化模型并进行求解. 最后利用该方法求解ESA的ACT研究团队的深空探测任务算例并对结果进行对比分析. 结果表明, 提出的全局优化设计方法对解决多目标、多任务深空探测轨道优化设计问题是可行和有效的.      

First-round design of the flight scenario for Chang’e-2’s extended mission:take off from lunar orbit

Chang'e-2, Chinese second lunar probe, was inserted into a 100 km altitude low lunar orbit on October 9th, 2010, its purpose is to continuously photograph the lunar surface and possibly chosen landing sites for future lunar missions. The probe will still carry considerable amount of propellant after completing all prescribed tasks in about six months. After the successful launch of Chang'e-2, we began designing the probe's subsequent flight scenario, considering a total impulse of 1 100 m/s for takeoff from low lunar orbit and a maximum 3×10 6 km distance for Earth-probe telecommunication. Our first-round effort proposed a preliminary flight scenario that involves consecutive arrivals at the halo orbits around the Earth-Moon L1/L2 and Sun-Earth L1/L2 points, near-Earth asteroid flyby, Earth return, and lunar im- pact. The designed solution of Chang'e-2's subsequent flight scenario is a multi-segment flight trajectory that serves as a reference for making the final decision on Chang'e-2's extended mission, which is a flight to the Sun-Earth L2 point, and a possible scheme of lunar impact via Earth flyby after remaining at the Sun-Earth L2 point was also presented. The proposed flight trajectory, which possesses acceptable solution accuracy for mission analysis, is a novel design that effectively exploits the invariant manifolds in the circular restricted three-body problem and the patched-manifold-conic method.     

Spacecraft aerodynamics and trajectory simulation during aerobraking

This paper uses a direct simulation Monte Carlo （DSMC） approach to simulate rarefied aerodynamic characteristics during the aerobraking process of the NASA Mars Global Surveyor （MGS） spacecraft. The research focuses on the flowfield and aerodynamic characteristics distribution under various free stream densities. The vari- ation regularity of aerodynamic coefficients is analyzed. The paper also develops an aerodynamics-aeroheating-trajectory integrative simulation model to preliminarily calculate the aerobraking orbit transfer by combining the DSMC technique and the classical kinematics theory. The results show that the effect of the planetary atmospheric density, the spacecraft yaw, and the pitch attitudes on the spacecraft aerodynamics is significant. The numerical results are in good agreement with the existing results reported in the literature. The aerodynamics-aeroheating-trajectory integrative simulation model can simulate the orbit transfer in the complete aerobraking mission. The current results of the spacecraft trajectory show that the aerobraking maneuvers have good performance of attitude control.