Исследование различных методов для решения задач оптимизации импульсных межпланетных перелетов «Земля — Марс»
Авторы: Хуан Ю. | |
Опубликовано в выпуске: #6(95)/2024 | |
DOI: | |
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов |
|
Ключевые слова: космические исследования, межпланетный перелет, оптимизация траектории, многоимпульсный маневр, генетический алгоритм |
|
Опубликовано: 20.01.2025 |
Рассмотрены вопросы многоимпульсного орбитального перехода с оптимизацией расхода топлива в рамках задачи межпланетного перелета «Земля — Марс». Проанализированы и использованы различные методы для разработки многоимпульсных перелетов. Предложен метод проектирования многоимпульсных орбит с использованием прямого метода оптимизации с учетом итерационной стратегии. Предложен альтернативный способ, учитывающий связь между орбитами малой тяги и импульсными орбитами. В данной работе решается задача нелинейного программирования с использованием топливно-оптимальной траектории перелета с малой тягой для получения многоимпульсного локально оптимального решения. Получены результаты сходимости для задач нелинейного программирования.
Литература
[1] NASA. Mars Chronology. NASA Planetary Data System. URL: https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/chronology_mars.html (accessed June 3, 2024).
[2] Zezhou S.U.N., Wei R.A.O., Yang J.I.A. Key mission system design of Tianwen-1 Mars probe. J. Aerospace Control and Application, 2021, vol. 47 (5), pp. 9–16. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-1579.2021.05.002
[3] Biktimirov S., Ivanov A., Toporkov A., Skobelev P. Near-Earth asteroids utilization as a base for building of Earth-Mars-Moon economy. Proceeding of 69th International Astronautical Congress, Germany, Bremen, 2018. EDN: CQCSVI
[4] Bond V.R., Allman M.C. Modern Astrodynamics: Fundamentals and perturbation methods. Princeton, Princeton University Press, 1996.
[5] Zhou Jie, Zhang Shuyu, Liu Fucheng. Preliminary Trajectory Design and Simulation of Mars Probe Based on Universal Variables. J. Aerospace Shanghai, 2014, vol. 31 (2), pp. 19–25. https://doi.org/10.19328/j.cnki.1006-1630.2014.02.004
[6] Lawden D.F. Optimal Trajectories for Space Navigation. London, Butterworths, 1963, chapter 3, pp. 54–68.
[7] Lion P.M., Handelsman M. Primer vector on fixed-time impulsive trajectories. J. Aiaa Journal, 1968, vol. 6 (1), pp. 127–132. https://doi.org/10.2514/3.4452
[8] Jezewski D.J., Rozendaal H.L. An efficient method for calculating optimal free-space n-impulse trajectories. J. AIAA journal, 1968, vol. 6 (11), pp. 2160–2165. https://doi.org/10.2514/3.4949
[9] Dong Qiao. Study of transfer trajectory design method for deep space exploration and application to small body exploration. Harbin, Harbin Institute of Technology, 2007. (In Chinese).
[10] Pingyuan Cui, Dong Qiao, Hutao Cui. Deep space exploration orbit design and optimisation. Beijing, Science Press, 2013.
[11] Colasurdo G., Pastrone D. Indirect optimization method for impulsive transfers. Astrodynamics Conference, 1994, vol. 3762. https://doi.org/10.2514/6.1994-3762
[12] Shen H.X., Casalino L. Indirect optimization of three-dimensional multiple-impulse Moon-to-Earth transfers. J. The Journal of the Astronautical Sciences, 2014, vol. 61, pp. 255–274. https://doi.org/10.1007/s40295-014-0018-9
[13] Shen H.X., Casalino L., Luo Y.Z. Global search capabilities of indirect methods for impulsive transfers. J. The Journal of the Astronautical Sciences, 2015, vol. 62, pp. 212–232. https://doi.org/10.1007/s40295-015-0073-x
[14] Zhu Z., Gan Q., Yang X. et al. Solving fuel-optimal low-thrust orbital transfers with bang-bang control using a novel continuation technique. J. Acta Astronautica, 2017, vol. 137, pp. 98–113. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.03.032
[15] Solar System Dynamics Group, Horizons On-Line Ephemeris System, Jet Propulsion Laboratory. URL: https://ssd.jpl.nasa.gov/horizons/ (accessed May 15, 2024).
[16] Chiaradia A.P.M., Kuga H.K., Prado A.F.B.A. Comparison between two methods to calculate the transition matrix of orbit motion. J. Mathematical Problems in Engineering, 2012. https://doi.org/ 10.1155/2012/768973
[17] Gergaud J., Haberkorn T. Orbital transfer: Some links between the low-thrust and the impulse cases. J. Acta Astronautica, 2007, vol. 60 (8–9), pp. 649–657. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2006.10.009
[18] Wall B.J., Conway B.A. Shape-based approach to low-thrust rendezvous trajectory design. J. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2009, vol. 32 (1), pp. 95–101. https://doi.org/10.2514/1.36848
[19] Wall B. Shape-based approximation method for low-thrust trajectory optimization. AIAA/AAS astrodynamics specialist conference and exhibit, 2008, vol. 6616. https://doi.org/10.2514/6.2008-6616
[20] Garg D., Patterson M.A., Francolin C. et al. Direct trajectory optimization and costate estimation of finite-horizon and infinite-horizon optimal control problems using a Radau pseudospectral method. J. Computational Optimization and Applications, 2011, vol. 49, pp. 335–358. https://doi.org/10.1007/s10589-009-9291-0
[21] Darby C.L., Hager W.W., Rao A.V. Direct trajectory optimization using a variable low-order adaptive pseudospectral method. J. Journal of Spacecraft and Rockets, 2011, vol. 48 (3), pp. 433–445. https://doi.org/ 10.2514/1.52136
[22] Jiang F., Baoyin H., Li J. Practical techniques for low-thrust trajectory optimization with homotopic approach. J. Journal of guidance, control, and dynamics, 2012, vol. 35 (1), pp. 245–258.
[23] Saghamanesh M., Baoyin H. A robust homotopic approach for continuous variable low-thrust trajectory optimization. J. Advances in Space Research, 2018, vol. 62 (11), pp. 3095–3113. https://doi.org/10.1016/j.asr.2018.08.046