Design of Interplanetary Transfers with Passive Gravity Assists and Deep Space Maneuvers

 
PIIS002342060000351-4-1
DOI10.31857/S002342060000351-4
Publication type Article
Status Published
Authors
Affiliation: Keldysh Institute of Applied Mathematics, Russian Academy of Sciences
Address: Russian Federation, Moscow
Affiliation: Keldysh Institute of Applied Mathematics, Russian Academy of Sciences
Address: Russian Federation, Moscow
Affiliation: Keldysh Institute of Applied Mathematics, Russian Academy of Sciences
Address: Russian Federation, Moscow
Journal nameKosmicheskie issledovaniia
EditionVolume 56 Issue 4
Pages337-350
Abstract

In the paper, the problem of designing interplanetary trajectories with several swing-bys and deep-space maneuvers is solved using the method of virtual trajectories developed by the authors. The algorithms for the calculation of both heliocentric and planetocentric trajectory arcs are presented, including the case of resonant trajectories. The results of applying the method of virtual trajectories to the problem of designing an interplanetary transfer to Jupiter are given and compared with the baseline trajectories for the Juno, Europa Clipper, and Laplace missions.

Keywordsinterplanetary flight, trajectory design, gravity assist, impulsive thrust, deep space maneuver.
Received14.08.2018
Publication date11.10.2018
Number of characters37391
Cite  
100 rub.
When subscribing to an article or issue, the user can download PDF, evaluate the publication or contact the author. Need to register.
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.

Number of purchasers: 0, views: 1151

Readers community rating: votes 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

Loading...
Up