Проектирование межпланетных траекторий с пассивными гравитационными маневрами и импульсами в глубоком космосе

 
Код статьиS002342060000351-4-1
DOI10.31857/S002342060000351-4
Тип публикации Статья
Статус публикации Опубликовано
Авторы
Аффилиация: Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук
Адрес: Российская Федерация, Москва
Аффилиация: Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук
Адрес: Российская Федерация, Москва
Аффилиация: Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук
Адрес: Российская Федерация, Москва
Название журналаКосмические исследования
ВыпускТом 56 Номер 4
Страницы337-350
Аннотация

В работе решается задача проектирования межпланетных траекторий с пассивными гравитационными маневрами и импульсами в глубоком космосе с использованием разработанного авторами метода виртуальных траекторий. Даны алгоритмы расчетов гелиоцентрических и планетоцентрических участков, рассматривается случай резонансных траекторий.Описаны результаты применения метода виртуальных траекторий к задаче проектирования перелета к Юпитеру, полученные траектории сравниваются с траекториями миссий Juno, Europa Clipper и Laplace.

Ключевые слова
Источник финансированияРабота поддержана грантом Российского научного фонда (проект 14-11-00621).
Получено14.08.2018
Дата публикации11.10.2018
Кол-во символов37391
Цитировать  
100 руб.
При оформлении подписки на статью или выпуск пользователь получает возможность скачать PDF, оценить публикацию и связаться с автором. Для оформления подписки требуется авторизация.

Оператором распространения коммерческих препринтов является ГАУГН-ПРЕСС

Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной.
1

1. ВВЕДЕНИЕ

На протяжении всей истории космонавтики гравитационные маневры были полезным инструментом проектирования межпланетных миссий и эффективным средством достижения планет-целей для проведения научных исследований. Значительное количество межпланетных миссий неоднократно подтверждало важность использования гравитационных маневров. Примерами являются: Луна-3 с целью фотографирования обратной стороны Луны и последующего пролета над северными широтами Земли, Mariner 10 с гравитационным маневром у Венеры с целью снижения скорости и достижения Меркурия, Pioneer 11 с гравитационным маневром у Юпитера с целью увеличения скорости и достижения Сатурна.
2 Успех миссий на основе использования гравитационных маневров повлек продолжение программы по исследованию космоса и планет при помощи АМС Voyager 1, посетившей Юпитер и Сатурн, а также АМС Voyager 2, двигавшейся вдоль планетной последовательности Земля–Юпитер–Сатурн–Уран–Нептун (EJSUN). Другие успешные проекты исследования планет Солнечной системы включают АМС Galileo с маршрутом EVEEJ, АМС Cassini–Huygens с маршрутом EVVEJS. Второй аппарат на Меркурий, MESSENGER, запущенный в 2004 году, выполнил один маневр у Земли и два дополнительных маневра у Венеры. Далее последовала серия из трех маневров около Меркурия с целью снизить относительную скорость (EEVVMeMeMeMe).
3 Проектирование траекторий, содержащих гравитационные маневры, до создания современных высокопроизводительных вычислительных средств опиралось в значительной степени на интуицию баллистиков и использование некоторых простых аналитических и графических средств типа диаграммы Тиссерана. Точный расчет полученных таким путем приближенных траекторий осуществлялся с помощью методов локальной оптимизации и теории оптимального управления и представлял собой, как правило, ньютоновский или квазиньютоновский итерационный процесс. Однако даже для простых межпланетных перелетов оптимизируемый функционал – характеристическая скорость – имеет множество локальных минимумов и может быть в некоторых точках недифференцируемым или даже разрывным [1]. Как следствие, выбор начальной точки – приближенной траектории – оказывает сильное влияние на сходимость итерационного процесса и качество выполненной оптимизации (близость найденного оптимума к глобальному).
4 Классический метод полного перебора, использовавшийся с самого начала космической эры для проектирования межпланетных полетов, заключается в случае прямого перелета в переборе дат старта и времени полета и численном решении получающихся при этом задач Ламберта [2, 3]. Траектории же с промежуточными гравитационными маневрами разбиваются на участки «планета-планета», к которым применяется та же самая процедура. Метод полного перебора оказывается весьма ресурсозатратным при решении задачи оптимизации траекторий с большим числом гравитационных маневров.

Всего подписок: 0, всего просмотров: 969

Оценка читателей: голосов 0

1. Hughes G., McInnes C.R.Solar Sail Hybrid Trajectory Optimisation // Advances in the Astronautical Sciences. 2001. V. 109. P. 2369–2380.

2. Rogata P., Di Sotto E., Graziano M., Graziani F.Guess value for interplanetary transfer design through genetic algorithms // Proc. 13th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting. AAS 03-140. Ponce, Puerto Rico, 2003.

3. Dachwald B.Optimization of solar sail interplanetary trajectories using evolutionary neurocontrol // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2004. V. 27.№ 1.P. 66–72.

4. Wirthman D.J., Park S.Y., Vadali S.R.Trajectory optimization using parallel shooting method on parallel computer // J. Guidance, Control, and Dynamics. 1995. V. 18. № 2. P. 377–379.

5. Hartmann J.W., Coverstone-Carroll V.L., Williams S.N.Optimal interplanetary spacecraft trajectories via a Pareto genetic algorithm // J. Astronautical Sciences. 1998. V. 46.№ 3. P. 267–282.

6. Vasile M.A global approach to optimal space trajectory design // Advances in the Astronautical Sciences. 2003. V. 114. P. 621–640.

7. Sentinella M.R.Comparison and integrated use of differential evolution and genetic algorithms for space trajectory optimisation // Proc. IEEE Congress on Evolutionary Computation. Singapore, Singapore, 2007.

8. Storn R.M., Price K.V.Differential evolution – A simple and efficient heuristic for global optimization over continuous spaces // J. Global Optimization. 1997. V. 11. P. 341–359.

9. Storn R.M., Price K.V., Lampinen J.A.Differential evolution: a practical approach to global optimization // Natural computing series / Ed. by Rozenberg G. Springer, Berlin, 2005.

10. Kennedy J., Eberhart R.Particle swarm optimization // Proc.IEEE International Conference on Neural Networks. Perth, Australia, 1995.

11. Федотов Г.Г. Оптимизация траекторий полета КА с ЭРД при использовании гравитационного маневра // Космич. исслед. 2004. Т. 42. № 4. С. 404–413. (Cosmic Research. P. 389).

12. Григорьев И.С., Григорьев К.Г.Об использовании решений задач оптимизации траекторий КА импульсной постановки при решении задач оптимального управления траекториями КА с реактивным двигателем ограниченной тяги. I // Космич. исслед. 2007. Т. 45. № 4. С. 358–366. (Cosmic Research. P. 339).

13. Петухов В.Г.Оптимизация межпланетных траекторий космических аппаратов с идеально-регулируемым двигателем методом продолжения // Космич. исслед. 2008. Т. 46. № 3. С. 224–237. (CosmicResearch. P. 219).

14. Lancaster E.R., Blanchard R.C.A unified form of Lambert's theorem // NASA technical note.TN D-5368. 1969.

15. Gooding R.H. A procedure for the solution of Lambert's orbital boundary-value problem //Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy. 1990. V. 48. № 2. P. 145–165.

16. Kowalkowski T.D., Johannesen J.R., Lam T.Launch Period Development for the Juno Mission to Jupiter // Proc. AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit.AIAA 2008-7369. Honolulu, Hawaii, 2008.

17. Buffington B.Trajectory design for the Europa Clipper mission concept // Proc. AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference.AIAA 2014-4105. San Diego, CA, 2014.

18. Boutonnet A., Schoenmaekers J.JUICE: Consolidated Report on Mission Analysis (CReMA) // ESA. 2012. Reference WP-578, Issue 1, 2012-05-29.

Система Orphus

Загрузка...
Вверх