近地及深空探测小推力轨道多圈转移研究

The low-thruster with high specific impulse can reduce fuel consumption and increase the ratio of the effective load. In low-thrust trajectory optimization, the shape-based method is an initial design method with suboptimal analytical solution, its energy consumption is very close to the optimal trajectory without thrust constraints, has been widely applied to design of low-thrust orbit. The early researches on shape-based methods were only applicable to transfer between circular orbits. This project mainly aimed at two body absolute orbit transfer problem between elliptical orbits, we will research on initial design of low-thrust orbit based on patched shaping method and a fast optimization design of low-thrust orbit based on initial design method. Considering multi-revolution transfer and transfer trajectory constraints, we will utilize the patched shaping method to solve low-thrust orbit under constraint conditions. Considering the influence of perturbation and Earth's shadow on the orbit transfer, the patched shaping method is used to solve the low-thrust orbit under the perturbation and Earth's shadow. We will use the shaping patched method and numerical optimization algorithm to quickly and accurately solve the optimal low-thrust multi-revolution transfer orbit. The research of this project can provide theoretical and technical support for the optimization design of low-thruster spacecraft orbit multi-revolution transfer in low Earth and deep space.

小推力器由于具有高比冲的特性能够极大地节省燃料消耗，显著提高有效载荷质量比最受关注。在小推力轨迹优化问题中，形状法是一种具有次最优解析解的初始设计方法，其能量消耗通常与无推力约束下的最优轨迹解非常接近，被广泛应用到小推力轨道设计中。早期研究的形状法仅适用于圆轨道之间转移。本项目主要针对二体绝对轨道下椭圆轨道之间的转移问题，研究基于形状拼接方法的小推力轨道初始设计和基于初始设计方法的小推力轨道快速优化设计。考虑多圈转移和转移轨迹约束，利用形状拼接法求解约束条件下的小推力轨道；考虑摄动和地影对轨道转移的影响，利用形状拼接法求解摄动和地影影响下的小推力轨道；考虑采用形状拼接法结合数值优化算法快速、高精度求解最优小推力多圈转移轨道。本项目的研究可为小推力器航天器近地和深空探测轨道多圈转移优化设计提供理论和技术支持。

小推力器由于具有高比冲的特性能够极大地节省地球轨道燃料消耗，显著提高有效载荷质量比最受关注。比使用传统化学发动机进行深空探测具有很大的优势，尤其适用于彗星交会、远地行星探测任务。在小推力航天器轨道转移轨迹设计中，形状法是一种具有次最优解析解的初始设计方法，其能量消耗通常与无推力约束下的最优轨迹解非常接近，被广泛应用到小推力航天器轨道设计中，早期研究的形状法仅适用于圆轨道之间转移。.本项目主要针对二体绝对轨道下椭圆轨道之间的转移问题，研究基于形状拼接方法的小推力轨道初始设计问题和基于初始设计方法的小推力轨道快速数值优化设计问题。主要研究内容如下：1）考虑连续数月多圈转移和转移轨迹约束，利用形状拼接法求解约束条件下的小推力轨道；2）考虑摄动和地影对轨道转移的影响，利用形状拼接法求解摄动和地影影响下的小推力轨道；3）考虑采用形状拼接法结合数值优化算法快速、高精度求解最优小推力多圈转移轨道。.本项目研究的小推力轨道初始设计形状法，适用于圆轨道之间转移、椭圆轨道之间转移、圆-椭圆之间转移，且能够获得次最优解析解。形状法结合大规模非线性规划 GPOPS-II 算法，可高精度求解轨迹约束、引力摄动、地影影响情况下的多圈转移模型，并获得最优解析解，提升了小推力轨道优化设计效率。本项目的研究可为小推力器航天器近地和深空探测轨道多圈转移优化设计提供理论和技术支持。