小推力航天器的地球—火星转移轨道混合设计方法
发布时间：2021-11-05 06:36
小推力航天器由于其推进系统的高比冲特性,变轨过程可节省大量推进剂,可用于未来火星探测的地球—火星轨道转移任务中。文章提出一种混合设计方法对小推力航天器的地球到火星的转移轨道优化问题进行求解。根据极大值原理确定小推力发动机的最优控制律,舍弃横截条件,将终端状态量误差和终端质量作为评价指标,采用人工免疫算法对伴随变量和飞行时间进行寻优;混合法、间接法和直接法求解结果表明,混合法比直接法的寻优时间缩短33%,推进剂消耗相当;混合法与间接法在推进剂消耗和状态量方面一致性好,表明混合法的结果接近最优。
【文章来源】：航天返回与遥感. 2020,41(01)CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
小推力航天器最优地球–火星转移轨道飞行轨迹Fig.1OptimalEarth-Marstransfertrajectoryforlow-thrustspacecraft
第1期彭坤等:小推力航天器的地球—火星转移轨道混合设计方法15为三种方法的状态变量曲线对比。由图2可看出，GAIA混合法求得的4个状态变量曲线与间接法曲线完全重合，证明了其理论最优性。而GAIA直接法的径向速度和横向速度曲线与间接法均有一定偏差，说明其不是理论最优解。图3为三种方法的推力方向角曲线。由图3可知，GAIA混合法由于采用最优控制律，与间接法曲线完全重合；而GAIA直接法由于多项式函数无法完全拟合最优控制律而造成一定偏差，这也造成了其所求解不是理论最优解。图4为GAIA混合法和间接法得到的最优归一化伴随变量曲线。由图4可知，由于舍弃横截条件，GAIA混合法的λm初值与间接法不同，但变化趋势相近；而GAIA混合法的λr，rv和v初值和变化趋势基本与间接法相近。结合图2~图4可知，伴随变量不同并不影响GAIA混合法最优结果的状态变量和控制变量。因此，相对间接法，GAIA混合法扩大了伴随变量初值的取值范围，增加收敛性，降低了寻优难度。图1小推力航天器最优地球–火星转移轨道飞行轨迹Fig.1OptimalEarth-Marstransfertrajectoryforlow-thrustspacecraft图2间接法、GAIA直接法和GAIA混合法的状态变量变化曲线Fig.2Timehistoryofstatevariablesobtainedbyindirect,directandhybridmethod
16航天返回与遥感2020年第41卷图3间接法、GAIA直接法和GAIA混合法的推力方向角变化曲线Fig.3Timehistoryofdirectionangleofthethrustobtainedbyindirect,directandhybridmethod图4间接法和GAIA混合法的归一化伴随变量变化曲线Fig.4Timehistoryofadjointvariablesobtainedbyindirect,directandhybridmethod5结束语本文针对小推力航天器地球—火星轨道转移过程建立一套混合优化模型，并采用人工免疫算法进行求解，得到了最优小推力地球—火星转移轨道。该混合设计方法比直接法寻优速度快，其单次寻优时间比直接法缩短33%；同时其寻优结果比直接法更优，推进剂消耗比直接法少1.5%。此外，该混合设计方法的状态变量、推力方向角和终端质量与间接法几乎相同，证明了其寻优结果的理论最优性；同时，伴随变量初值不同不影响混合设计方法的寻优正确性，且采用随机优化算法进行优化，有效降低了初值敏感性，收敛性比间接法更好。参考文献(References)[1]于登云,孙泽州,孟林智,等.火星探测发展历程与未来展望[J].深空探测学报,2016,3(2):108-113.YUDengyun,SUNZezhou,MENGLinzhi,etal.TheDevelopmentProcessandProspectsforMarsExploration[J].JournalofDeepSpaceExploration,2016,3(2):108-113.(inChinese).
【参考文献】：
期刊论文
[1]火星探测发展历程与未来展望[J]. 于登云,孙泽洲,孟林智,石东. 深空探测学报. 2016(02)
[2]NASA发布载人火星探索之路[J]. 李虹琳,李金钊. 中国航天. 2015(11)
[3]基于人工免疫算法的地球-火星小推力转移轨道优化[J]. 彭坤,徐世杰,果琳丽,王平. 中国空间科学技术. 2012(05)
[4]利用混合法进行地球-火星小推力轨道设计[J]. 任远,崔平远,栾恩杰. 哈尔滨工业大学学报. 2007(03)
[5]地球-火星的燃料最省小推力转移轨道的设计与优化[J]. 尚海滨,崔平远,栾恩杰. 宇航学报. 2006(06)
[6]载人火星航行的先期研究[J]. 朱毅麟. 航天器工程. 2006(02)
硕士论文
[1]地球—火星转移轨道设计与优化技术研究[D]. 朱永生.南京航空航天大学 2013
本文编号：3477270
【文章来源】：航天返回与遥感. 2020,41(01)CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
小推力航天器最优地球–火星转移轨道飞行轨迹Fig.1OptimalEarth-Marstransfertrajectoryforlow-thrustspacecraft
第1期彭坤等:小推力航天器的地球—火星转移轨道混合设计方法15为三种方法的状态变量曲线对比。由图2可看出，GAIA混合法求得的4个状态变量曲线与间接法曲线完全重合，证明了其理论最优性。而GAIA直接法的径向速度和横向速度曲线与间接法均有一定偏差，说明其不是理论最优解。图3为三种方法的推力方向角曲线。由图3可知，GAIA混合法由于采用最优控制律，与间接法曲线完全重合；而GAIA直接法由于多项式函数无法完全拟合最优控制律而造成一定偏差，这也造成了其所求解不是理论最优解。图4为GAIA混合法和间接法得到的最优归一化伴随变量曲线。由图4可知，由于舍弃横截条件，GAIA混合法的λm初值与间接法不同，但变化趋势相近；而GAIA混合法的λr，rv和v初值和变化趋势基本与间接法相近。结合图2~图4可知，伴随变量不同并不影响GAIA混合法最优结果的状态变量和控制变量。因此，相对间接法，GAIA混合法扩大了伴随变量初值的取值范围，增加收敛性，降低了寻优难度。图1小推力航天器最优地球–火星转移轨道飞行轨迹Fig.1OptimalEarth-Marstransfertrajectoryforlow-thrustspacecraft图2间接法、GAIA直接法和GAIA混合法的状态变量变化曲线Fig.2Timehistoryofstatevariablesobtainedbyindirect,directandhybridmethod
16航天返回与遥感2020年第41卷图3间接法、GAIA直接法和GAIA混合法的推力方向角变化曲线Fig.3Timehistoryofdirectionangleofthethrustobtainedbyindirect,directandhybridmethod图4间接法和GAIA混合法的归一化伴随变量变化曲线Fig.4Timehistoryofadjointvariablesobtainedbyindirect,directandhybridmethod5结束语本文针对小推力航天器地球—火星轨道转移过程建立一套混合优化模型，并采用人工免疫算法进行求解，得到了最优小推力地球—火星转移轨道。该混合设计方法比直接法寻优速度快，其单次寻优时间比直接法缩短33%；同时其寻优结果比直接法更优，推进剂消耗比直接法少1.5%。此外，该混合设计方法的状态变量、推力方向角和终端质量与间接法几乎相同，证明了其寻优结果的理论最优性；同时，伴随变量初值不同不影响混合设计方法的寻优正确性，且采用随机优化算法进行优化，有效降低了初值敏感性，收敛性比间接法更好。参考文献(References)[1]于登云,孙泽州,孟林智,等.火星探测发展历程与未来展望[J].深空探测学报,2016,3(2):108-113.YUDengyun,SUNZezhou,MENGLinzhi,etal.TheDevelopmentProcessandProspectsforMarsExploration[J].JournalofDeepSpaceExploration,2016,3(2):108-113.(inChinese).
【参考文献】：
期刊论文
[1]火星探测发展历程与未来展望[J]. 于登云,孙泽洲,孟林智,石东. 深空探测学报. 2016(02)
[2]NASA发布载人火星探索之路[J]. 李虹琳,李金钊. 中国航天. 2015(11)
[3]基于人工免疫算法的地球-火星小推力转移轨道优化[J]. 彭坤,徐世杰,果琳丽,王平. 中国空间科学技术. 2012(05)
[4]利用混合法进行地球-火星小推力轨道设计[J]. 任远,崔平远,栾恩杰. 哈尔滨工业大学学报. 2007(03)
[5]地球-火星的燃料最省小推力转移轨道的设计与优化[J]. 尚海滨,崔平远,栾恩杰. 宇航学报. 2006(06)
[6]载人火星航行的先期研究[J]. 朱毅麟. 航天器工程. 2006(02)
硕士论文
[1]地球—火星转移轨道设计与优化技术研究[D]. 朱永生.南京航空航天大学 2013
本文编号：3477270
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