中国宇航学会深空探测技术专业委员会会刊

高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法

曹知远 李翔宇 乔栋

曹知远, 李翔宇, 乔栋. 面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
引用本文: 曹知远, 李翔宇, 乔栋. 面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
CAO Zhiyuan, LI Xiangyu, QIAO Dong. Target Selection of Multiple Gravity-Assist Trajectories for Solar Boundary Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
Citation: CAO Zhiyuan, LI Xiangyu, QIAO Dong. Target Selection of Multiple Gravity-Assist Trajectories for Solar Boundary Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068

面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
基金项目: 国家自然科学基金(12002028);博士后科学基金特别资助(2019TQ0038)
详细信息
    作者简介:

    曹知远(1998– ),女,硕士研究生,主要研究方向:多天体借力飞行序列优化。通讯地址:北京理工大学宇航学院(100081)E-mail:3120200035@bit.edu.cn

    李翔宇(1991– ),男,博士后,主要研究方向:小天体近轨操作动力学。通讯地址:北京理工大学宇航学院22信箱(100081)E-mail:lixiangy@bit.edu.cn

    乔栋(1979– ),男,教授,博士生导师,主要研究方向:航天器轨道动力学与控制。本文通讯作者。通讯地址:北京理工大学宇航学院(100081)电话:(010)68913488 E-mail:qiaodong@bit.edu.cn

  • ● The application scopes of two models of multiple gravity-assists are given. ● A progressive nested-loop optimization method combining two kinds of multiple gravity-assists model is proposed. ● The optimal multiple gravity-assist trajectories to the nose and the tail of solar system boundary are obtained.
  • 中图分类号: V43

Target Selection of Multiple Gravity-Assist Trajectories for Solar Boundary Exploration

  • 摘要: 太阳系边际探测将增进人类对太阳系形成与演化的认知,是未来深空探测的重要方向。由于太阳系边际距离地球遥远,探测所需轨道能量大,利用多天体借力飞行是实现太阳系边际探测的必然选择。研究了面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择问题。给出了两种多天体借力动力学模型,并评估了两种模型各自的优势。基于太阳系边际探测的约束与目标处理方法,提出了一种结合两种多天体借力模型的逐步多层嵌套优化方法,并给出设计步骤,实现不同任务约束下太阳系边际探测多天体借力转移轨道优化设计。以2030—2040年针对太阳系鼻尖与尾部探测为例,给出了最优多天体轨道飞行序列排序,验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,针对太阳系鼻尖的最优多天体借力序列为地球–金星–地球–地球–木星–土星–太阳系边际鼻尖,而针对太阳系尾部的最优序列为地球–金星–地球–地球–木星–海王星–太阳系边际尾部,研究可以为我国未来太阳系边际探测目标选择与任务规划提供参考。
    Highlights
    ● The application scopes of two models of multiple gravity-assists are given. ● A progressive nested-loop optimization method combining two kinds of multiple gravity-assists model is proposed. ● The optimal multiple gravity-assist trajectories to the nose and the tail of solar system boundary are obtained.
  • 图  1  多天体借力MGA模型示意图

    Fig.  1  MGA schematic

    图  2  多天体借力MGA-DSM模型示意图

    Fig.  2  MGA-DSM schematic

    图  3  多天体借力转移轨道设计流程

    Fig.  3  Design flow for multiple gravity-assist transfers

    图  4  多天体借力转移轨道初步设计算法结构

    Fig.  4  Algorithm construction for multiple gravity-assist transfers preliminary design

    图  5  染色体编码示意

    Fig.  5  Chromosome coding schematic

    图  6  地球–金星–地球–地球–木星–土星–鼻尖序列轨道

    Fig.  6  E-V-E-E-J-S-nose transfer

    图  7  地球–地球–木星–土星–鼻尖序列轨道

    Fig.  7  E-E-J-S-nose transfer

    图  8  地球-金星-地球-地球-木星-海王星-太阳系边际尾部序列轨道

    Fig.  8  E-V-E-E-J-N-tile transfer

    表  1  MGA模型与MGA-DSM模型表现对比

    Table  1  Comparison between MGA and MGA-DSM

    模型MGAMGA-DSM
    精确度
    收敛性
    共振借力表现
    下载: 导出CSV

    表  2  太阳系边际鼻尖初步设计借力序列排名

    Table  2  Gravity-assist sequence ranking for preliminary design of solar system boundary nose

    排名借力序列出发时间/
    (年/月/日)
    速度增量/
    (km·s–1
    1[3,2,3,3,5,6,nose]2033/1/220.000 0
    2[3,3,5,6,nose]2034/11/31.901 8
    3[3,2,2,5,6 nose]2033/1/312.475 3
    4[3,2,2,4,2,5,nose]2036/6/263.025 7
    5[3,3,5,nose]2038/1/313.112 9
    6[3,4,5,6,nose]2034/10/43.159 4
    7[3,2,3,5,6,nose]2036/3/263.408 4
    8[3,3,3,5,6,nose]2031/11/243.471 1
    9[3,2,2,5,nose]2039/5/123.836 5
    10[3,2,2,3,nose]2039/5/134.026 8
    11[3,4,3,5,nose]2034/10/84.377 9
    下载: 导出CSV

    表  3  地球-金星-地球-地球-木星-土星-鼻尖转移轨道参数

    Table  3  E-V-E-E-J-S-helionose transfer parameters

    日期
    (年/月/日)
    借力天体发射C3/
    (km2·s2
    借力高度/
    km
    2033/01/22地球发射13.731 4
    2033/07/13金星借力8 190
    2034/05/24地球借力4331
    2036/09/04地球借力190
    2038/06/11木星借力172 756
    2040/09/13土星借力260707
    2068年飞行距离
    > 102 AU
    与尾部方向
    矢量夹角 < 17°
    下载: 导出CSV

    表  4  地球–-地球–木星–土星–鼻尖转移轨道参数

    Table  4  E-E-J-S-nose transfer detailed parameters

    日期
    (年/月/日)
    轨道机动发射C 3/
    (km2·s-2
    借力高度/km
    2033/09/24地球发射50.000 0
    2035/10/08深空机动
    2036/08/22地球借力64
    2038/08/09木星借力238 633
    2041/01/10土星借力241 072
    2066年飞行距离> 100 AU探测器日心距
    > 100 AU
    与尾部方向矢量
    夹角 < 28°
    下载: 导出CSV

    表  5  太阳系边际尾部初步设计借力序列排名

    Table  5  Gravity-assist sequence ranking for preliminary design of solar system boundary tail

    排名借力序列出发时间
    (年/月/日)
    速度增量/
    (km2·s–1
    1[3,2,3,3,5,8,tail]2039/07/290.000 0
    2[3,3,5,tail]2031/03/102.923 3
    3[3,2,2,5,tail]2032/12/183.108 9
    4[3,3,5,8,tail]2036/03/173.711 7
    5[3,3,4,5,8,tail]2039/06/084.460 1
    6[3,2,3,3,8,tail]2037/10/244.570 5
    7[3,4,3,5,tail]2031/06/284.620 3
    下载: 导出CSV

    表  6  地球-金星-地球-地球-木星-海王星-尾部转移轨道参数

    Table  6  E-V-E-E-J-S-N-tail transfer detailed parameters

    日期
    (年/月/日)
    借力天体发射C3 /
    (km2·s2
    借力
    高度/km
    2039/7/29地球发射18.226 70
    2040/1/12金星借力4476
    2040/11/24地球借力3624
    2043/3/22地球借力937
    2044/9/13木星借力3575
    2052/8/20海王星借力4 315 066
    2074年飞行距离< 103 AU与尾部方向矢量夹角 > 7°
    下载: 导出CSV
  • [1] 陈莉丹,谢剑锋,刘勇, 等. 中国深空探测任务轨道控制技术综述[J]. 深空探测学报(中文版),2019, 6(3): 210-218.

    CHEN L D, XIE J F, LIU Y, et al. Review of the orbit maneuver technology for Chinese deep space exploration missions[J].Journal of Deep Space Exploration, 2019, 6(3): 210-218.
    [2] 郑永春,欧阳自远.太阳系探测的发展趋势与科学问题分析[J].深空探测学报(中文版),2014,1(2):83-92.

    ZHENG Y C, OUYANG Z Y.Development trend analysis of solar system explorationand the scientific vision for future missions[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2014, 1(2): 83-92.
    [3] MACEK W M,WAWRZASZEK A,BURLAGA L F. Multifractal structures detected by Voyager 1 at the heliospheric boundaries[J]. The Astrophysical Journal Letters,2014,793(2):L30. doi:  10.1088/2041-8205/793/2/L30
    [4] STRAUSS R D T. Voyager 2 enters interstellar space[J]. Nature Astronomy,2019,3(11):963-964. doi:  10.1038/s41550-019-0942-5
    [5] LISSE C M,MCNUTT JR R L,BRANDT P C,et al. Interstellar Probe (ISP) observations of the solar system's debris disks[J]. AGUFM,2018,2018:SH32C-09.
    [6] VASILE M,DE PASCALE P. Preliminary design of multiple gravity-assist trajectories[J]. Journal of Spacecraft and Rockets,2006,43(4):794-805. doi:  10.2514/1.17413
    [7] VINKΌT, IZZO D. Global Optimization heuristics and test problems for preliminary spacecraft trajectory design: ACT-TNT-MAD-GOHTPPSTD[R]. [S. l.]: European Space Agency, the Advanced Concepts Team: 2008.
    [8] VASILE M,MINISCI E,LOCATELLI M. Analysis of some global optimization algorithms for space trajectory design[J]. Journal of Spacecraft and Rockets,2010,47(2):334-344.
    [9] CERIOTT M,VASILE M. Automated multi-gravityassist trajectory planning with a modified ant colony algorithm[J]. Journal of Aerospace Computing,Information and Communication,2010,7(9):261-293. doi:  10.2514/1.48448
    [10] LONGUSKI J,WILLIAMS S. Automated design of gravity-assist trajectories to mars and the outer planets[J]. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy,1991,52(3):207-220. doi:  10.1007/BF00048484
    [11] 陈诗雨,杨洪伟,宝音贺西.木星系探测及行星穿越任务轨迹初步设计[J].深空探测学报,2019,6(2):189-194.

    CHEN S Y, YANG H W, BAOYIN H X. Preliminary design for the trajectories of jovian and planetary mission[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2019, 6(2): 189-194.
    [12] OLDS A D,KLUEVER C A,CUPPLES M L. Interplanetary mission design using differential evolution[J]. Journal of Spacecraft and Rockets,2007,44(5):1060-1070. doi:  10.2514/1.27242
    [13] GAD A,ABDELKHALIK O. Hidden genes genetic algorithm for multi-gravity-assist trajectories optimization[J]. Journal of Spacecraft and Rockets,2011,48(4):629-641. doi:  10.2514/1.52642
    [14] ABDELKHALIK O,GAD A. Dynamic-size multiple populations genetic algorithm for multigravity-assist trajectories optimization[J]. Journal of Guidance,Control,and Dynamics,2012,35(2):520-529.
    [15] ENGLANDER J A,CONWAY B A,WILLIAMS T. Automated mission planning via evolutionary algorithms[J]. Journal of Guidance,Control,and Dynamics,2012,35(6):1878-1887.
    [16] MEWALDT R A, KANGAS J, KERRIDGE S J, et al. A small interstellar probe to the heliospheric boundary and interstellar space[J]. Acta Astronautica, 1995, 35: 267–276.
  • [1] 周文艳, 高珊, 刘德成, 张相宇, 马继楠, 于登云.  月球极区探测轨道设计 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191109004
    [2] 陈上上, 关轶峰, 于萍, 李骥, 张晓文.  基于粒子群优化的月球陨石坑探测轨迹规划 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191031007
    [3] 王赤, 李晖, 郭孝城, 徐欣峰.  太阳系边际探测项目的科学问题 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200058
    [4] 王玲华, 宗秋刚, 任杰.  太阳系边际的能量粒子探测 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200061
    [5] 张爱兵, 李晖, 孔令高, 张珅毅, 付利平, 薛洪波, 杨建峰, 何志平, 王玲华, 李延伟.  太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
    [6] 周成, 吴延龙, 魏延明, 李永, 王戈, 丛云天, 孙鲲, 王磊.  空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.006
    [7] 梁伟光, 周文艳, 周建亮, 杨维廉.  地月系L2平动点轨道长期维持过程研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.010
    [8] 柳明星, 张伟, 张恒, 刘华清.  基于动态罚函数的火星探测器多学科协同优化 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.012
    [9] 安然, 王敏, 梁新刚.  基于不变流形的地-月L2点转移轨道优化设计 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.008
    [10] 潘迅, 泮斌峰.  基于同伦方法三体问题小推力推进转移轨道设计 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7717.2017.03.011
    [11] 曾祥远, 李俊峰, 刘向东.  不规则小天体引力场内的广义甩摆轨道 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.004
    [12] 袁旭, 朱圣英.  基于伪谱法的小天体最优下降轨迹优化方法 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.008
    [13] 何胜茂, 彭超, 高扬.  从日地系统L2出发借力月球飞越近地小行星 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.003
    [14] 彭超, 高扬.  星间洛仑兹力编队飞行的平衡点及零速度曲面 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2015.03.010
    [15] 郑博, 张泽旭, 周浩, 揭昭斌, 崔祜涛.  一种小推力借力飞行转移轨道初始设计方法 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2015.03.011
    [16] 于洋, 宝音贺西.  小天体附近的轨道动力学研究综述 . 深空探测学报(中英文),
    [17] 贺晶, 龚胜平, 李俊峰.  利用逃逸能量的太阳帆最快交会轨迹优化 . 深空探测学报(中英文),
    [18] 蓝朝桢, 耿迅, 徐青, 崔平远.  基于序列影像的小天体三维形状重建方法研究 . 深空探测学报(中英文),
    [19] 郑永春, 欧阳自远.  太阳系探测的发展趋势与科学问题分析 . 深空探测学报(中英文),
    [20] 尚海滨, 崔平远, 熊旭, 武小宇.  载人小行星探测目标选择与轨道优化设计 . 深空探测学报(中英文),
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  31
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-09
  • 修回日期:  2020-11-15
  • 网络出版日期:  2021-01-08

面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
    基金项目:  国家自然科学基金(12002028);博士后科学基金特别资助(2019TQ0038)
    作者简介:

    曹知远(1998– ),女,硕士研究生,主要研究方向:多天体借力飞行序列优化。通讯地址:北京理工大学宇航学院(100081)E-mail:3120200035@bit.edu.cn

    李翔宇(1991– ),男,博士后,主要研究方向:小天体近轨操作动力学。通讯地址:北京理工大学宇航学院22信箱(100081)E-mail:lixiangy@bit.edu.cn

    乔栋(1979– ),男,教授,博士生导师,主要研究方向:航天器轨道动力学与控制。本文通讯作者。通讯地址:北京理工大学宇航学院(100081)电话:(010)68913488 E-mail:qiaodong@bit.edu.cn

  • ● The application scopes of two models of multiple gravity-assists are given. ● A progressive nested-loop optimization method combining two kinds of multiple gravity-assists model is proposed. ● The optimal multiple gravity-assist trajectories to the nose and the tail of solar system boundary are obtained.
  • 中图分类号: V43

摘要: 太阳系边际探测将增进人类对太阳系形成与演化的认知,是未来深空探测的重要方向。由于太阳系边际距离地球遥远,探测所需轨道能量大,利用多天体借力飞行是实现太阳系边际探测的必然选择。研究了面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择问题。给出了两种多天体借力动力学模型,并评估了两种模型各自的优势。基于太阳系边际探测的约束与目标处理方法,提出了一种结合两种多天体借力模型的逐步多层嵌套优化方法,并给出设计步骤,实现不同任务约束下太阳系边际探测多天体借力转移轨道优化设计。以2030—2040年针对太阳系鼻尖与尾部探测为例,给出了最优多天体轨道飞行序列排序,验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,针对太阳系鼻尖的最优多天体借力序列为地球–金星–地球–地球–木星–土星–太阳系边际鼻尖,而针对太阳系尾部的最优序列为地球–金星–地球–地球–木星–海王星–太阳系边际尾部,研究可以为我国未来太阳系边际探测目标选择与任务规划提供参考。

注释:
1)  ● The application scopes of two models of multiple gravity-assists are given. ● A progressive nested-loop optimization method combining two kinds of multiple gravity-assists model is proposed. ● The optimal multiple gravity-assist trajectories to the nose and the tail of solar system boundary are obtained.

English Abstract

曹知远, 李翔宇, 乔栋. 面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
引用本文: 曹知远, 李翔宇, 乔栋. 面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
CAO Zhiyuan, LI Xiangyu, QIAO Dong. Target Selection of Multiple Gravity-Assist Trajectories for Solar Boundary Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
Citation: CAO Zhiyuan, LI Xiangyu, QIAO Dong. Target Selection of Multiple Gravity-Assist Trajectories for Solar Boundary Exploration[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
参考文献 (16)

返回顶部

目录

    /

    返回文章
    返回