时间自由的借力飞行轨道研究

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1、h时间自由的借力飞行轨道研究#乔栋，李斌*（北京理工大学宇航学院，北京100081）5101520摘要：借力飞行是降低星际探测发射能量与总的速度增量的有效途径。本文以金星借力探测火星为背景，研究了时间自由的借力飞行转移问题。首先将传统的以时间为搜索变量的借力飞行问题转变为以天体运动平近点角为变量的借力飞行问题；然后，通过全局优化与局部优化相结合的混合优化算法，得到借力飞行的最佳相位角；最后，对时间自由借力飞行转移轨道的最佳相位角进行了分析和讨论。该方法可用于借力飞行性能的评估和转移机会的搜索。关键词：时间自由；借力

2、飞行；转移轨道；火星探测；金星借力中图分类号：V41Studyontime-freegravity-assistedtransfertrajectoryQIAODong,LIBin(SchoolofAerospaceEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081)Abstract:Gravity-assisttechniqueiseffectivewaytoreducethelaunchenergyandtotalvelocityincrements.Int

3、hispaper,takingtheMarsexplorationviaVenusgravityassistasthebackground,thetime-freegravity-assisttransfertrajectoryisinvestigated.Firstly,themeananomalyofcelestialbodyisselectedastheresearchvariablesinsteadofthelaunchtime,gravity-assisttimeandsoon.Then,theoptimal

4、phaseanlgesareobtainedbyhybridoptimizationalgorithmcombingglobaloptimizationwithlocaloptimization.Finally,theopitmalphaseanglesoftime-freegravity-assisttransferareanalyzed.Thismethodcanbeusedtoevaluatetheperformanceofgravity-assisttrajectoryandsearchthetransfero

5、pportunity.Keywords:timefree;gravityassist;transfertrajectory;Marsexploration;Venusgravity-assist250引言借力飞行，或称引力辅助转移，因可有效降低星际探测任务所需的发射能量和总的速度增量，而引起了诸多学者的广泛关注。借力飞行源于十九世纪Tisserand等对彗星轨道摄动的研究，后于二十世纪五十年代，Battin等提出将借力飞行用于深空探测任务[1]。此后，Brouke303540对借力飞行的基本特性进行了分析[2]；W

6、iliams、Patel等分别提出了基于C3匹配的多天体借力飞行轨道设计方法[3]和带有深空机动的多次借力飞行轨道设计方法[4]。Longuski,Strange,Petropoulos等对借力飞行的组合方案[5]及借力飞行序列等问题进行了研究[6]。此外，借力飞行轨道的优化也是研究的热点，Sauer等以卡西尼任务为例，提出了基于主矢量的借力飞行轨道优化方法[7]，Amario和Byrnes等针对伽利略任务提出了带有飞越高度和飞越方向约束的多天体借力轨道优化方法[8,9]。Casalino等基于最优控制理论研究了借力飞

7、行的轨道优化问题[10]。Zimmer等基于最优控制理论与拉格朗日方程给出了多天体借力飞行轨道优化的解析梯度求解方法[11,12]。Vasile，Izzo等基于分支进化算法等智能优化算法对多天体借力飞行轨道进行研究[13,14]。这些研究极大的促进了借力飞行轨道优化设计的发展与应用。同时，也可以注意到这些研究的变量选取和优化结果都与借力飞行中的发射时刻、借力时刻、到达时刻等时间变量密切相关。本文则从不同的角度来研究借力飞行转移轨道问题。首先选择天体的平近点角来取代传基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（201011

8、01120001）作者简介：乔栋（1979年-），男，副教授，主要研究方向：轨道动力学与控制.E-mail:qiaodong@bit.edu.cn-1-h统借力飞行中的关键时刻点来描述借力飞行转移问题，将该问题转变为一个时间自由的借力飞行转移问题；然后采用混合优化算法，给出借力飞行的最佳转移相角，这些相角反映了最佳借力飞行轨道的