利于金星观测的借力金星的火星探测器轨道设计方法研究

借力飞行轨道是一种通过使用第二引力体去改变探测器相对于中心引力体的能量的轨道,它可以减少发射能量,增加发射窗口,并且可以对借力天体进行探测,这种轨道已经在Pioneer 10、Voyag-er 1、Galileo、NEAR-Shoemaker、Cassini等多次深空活动中得到了应用。文章提出了一种飞越段适应于金星探测的火星探测金星借力轨道设计方法。即以圆锥曲线拼接方法为基础,通过改变约束条件与总体设计流程,以拥有较为优越的金星借力轨道几何参数为目的,实现火星探测器的轨道设计。设计并通过仿真得到了一条利于观察金星、拥有较低发射能量的火星探测器金星借力轨道。应用该轨道不仅可以在探测火星的途中对金星进行观测且借力飞行,还可以降低发射成本,节省开支。考虑到在仿真过程中,遍历搜索的巨大计算量,为了提高研究效率,文中针对火星探测的轨道特点对遍历搜索仿真算法进行了优化,应用这种方法得到了准确的结果,而所耗费的时间则大大减少。     

月球低能返回轨道设计的混合自适应遗传算法

针对月球探测器低能量返回轨道设计问题,在椭圆四体问题下建立探测器动力学模型,考虑太阳引力与月球椭圆运动对探测器轨道的影响,并分析探测器低能量返回轨道的存在性与轨道动力学特性,以及针对设计月球最低能量返回轨道过程中模型强非线性、全局优化性能差等现象,提出了一种混合自适应遗传算法用于寻找月球探测器返回地球所需的最低能量以及对应的转移轨道,算法根据种群适应度数据自适应改变进化特征,提高了种群向全局最优点进化的效率,降低了计算量.仿真结果表明,此种算法可以精确高效地计算月球探测器返回地球所需的最低能量,所需的速度脉冲仅为传统的双曲拼接法的75%,显著节约了能源消耗.     

"天问"一号火星探测器

2020年7月23日"天问"一号火星探测器由"长征"五号运载火箭发射进入地火转移轨道.火星探测器由着陆巡视器(进入舱和火星车)和环绕器组成,在轨飞行共包括发射、地火转移、火星捕获、火星停泊、离轨着陆和科学探测6个任务阶段. 2021年2月10日,探测器进入环绕火星轨道.随后经过2次近火制动进入周期2个火星日的停泊轨道,开展着陆区预探测.2021年5月15日,探测器瞄准着陆窗口实施降轨机动,着陆巡视器与环绕器分离.     

近地小行星探测转移轨道方案设计与优化

探测小行星转移轨道的设计不同于传统的飞行器轨道设计,由于需要更多的能量,仅依靠冲量轨道转移难于实现,针对此问题,以近地小行星3288 Seleucus为例,采用了先将飞行器递推至以2 a为周期的日心大椭圆轨道的远日点,加深空机动使之再次与地球相遇,进行借力飞行的轨道转移技术,设计了其转移轨道.为了进一步减少此探测任务在轨道转移方面所需的总的能量,采用了变分与主矢量原理推导出了总的速度增量对自由变量的偏导数,把复杂的多维非线性轨道优化问题归结为一个多维参数优化问题,并利用梯度下降法,对所设计的探测3288 Seleucus小行星的转移轨道方案进行了优化.数学仿真结果表明:这种地球借力飞行的轨道转移技术可有效的降低完成任务所需的总能量,特别是发射时所需的能量.     

借月球引力节省火星探测器发射能量的方法

提出了通过月球引力加速来节省火星探测器发射燃料的方法。基于共面假设，采用轨迹的圆锥曲线拼接法，建立了简化的二维数学模型。编程计算得出了经过月球近旁转向后火星探测器的能量增加值和可节省的速度增量。结果表明：在发射火星探测器时，用此方法能够降低发射成本，具有较大的实用价值。     

平动点卫星的脉冲轨道保持策略

首先给出了系统的动力学模型并计算了标称轨道;然后分析了脉冲轨道保持策略,讨论了基于标准脉冲的轨道保持策略;最后在考虑发射偏差、导航误差和机动速度偏差的情况下蒙特卡罗模拟给出了统计性的结果。在最小控制间隔为30天,最小机动速度为0.02 m/s的条件下,轨道保持4年消耗的速度增量平均为0.44 m/s,平均控制间隔为71.5天。基于标准脉冲的轨道保持策略需要更多的速度增量,并且消耗的速度增量随着标准脉冲幅值和最小控制间隔的增加而增加。     

星际软着陆机动能力评估方法研究

针对软着陆过程中自主选取安全着陆点的需要,研究了探测器机动能力的评估方法.首先根据软着陆制导律,建立加速度模型积分结果与剩余燃料可生成速度增量之间的数学关系,推导出探测器机动能力的数值计算方法;其次,将软着陆过程中抵消重力作用与位置机动看作两个独立的过程,并假设位置机动过程为理想两脉冲机动,推导出解析的软着陆机动能力表达式;最后,通过数值仿真表明两种分析方法能够得到相近的结果,解析的机动能力分析方法可以实时的对探测器可能着陆区域进行预测,能够为探测器自主的选定着陆点提供重要依据.     

基于改进遗传算法的有限推力远程导引变轨策略

航天器在轨道转移过程中存在推力弧段,与脉冲轨道转移相比,有限推力轨道转移能够反映航天器在真实环境中的工作状态.本文采用改进遗传算法求解远程轨道能量最优的多脉冲变轨方案,在脉冲点处将脉冲量转换为推力弧段上的有限推力,实现了多脉冲机动远程导引向有限推力下远程导引变轨的转换,并对有限推力变轨方案速度增量方向进行修正,修正后变轨方案精度显著提高,与目标轨道相对位置误差大幅减小.     

基于自动微分与伪谱法的小推力借力轨道设计

针对小推力借力轨道设计问题,给出一种基于自动微分与伪谱法的优化方法.借力模型采用B平面模型,提高了轨迹优化设计的鲁棒性.用高斯伪谱法对整个小推力借力轨道进行离散,将发射时间的搜索包含在同一计算框架内,避免了传统混合方法中随机搜索算法收敛慢、精度低的缺点.将得到的大规模非线性规划(NLP)问题采用序列二次规划(SQP)法进行求解,为实现NLP问题的快速收敛,提出了串联优化以及弹性约束策略.SQP需要的导数信息通过自动微分获得,保证了计算的高精度和快速收敛.对地球-金星-火星小推力借力轨道进行了优化设计,验证了本文方法的正确性和有效性.     

基于流形插入的日地系Halo轨道转移轨道设计

研究了入轨点在流形上不同点的Halo轨道转移轨道设计。首先给出了仿真的数学模型,计算了Halo轨道及与其相连的不变流形,然后简单介绍了转移轨道设计的微分修正方法,最后以Halo轨道距离地球最近的流形为标称流形,使用微分修正算法计算入轨点在流形上不同点的转移轨道,分析入轨点对转移轨道需要的速度增量、飞行时间的影响。数值仿真表明,入轨点机动速度存在3个局部极小值;相比ISEE-3卫星,在飞行时间相同的条件下,在第2个局部极小值附近进行流形插入可以节省约10m/s的速度增量。     

基于RBF神经滑模的XY平台迭代交叉耦合控制

永磁同步直线电机(PMLSM)直接驱动XY平台的轮廓加工精度会受负载扰动、双轴参数不匹配以及周期性轮廓误差的影响.针对这一问题,采用RBF神经滑模与迭代交叉耦合控制相结合的方式对两轴运动进行协调控制.设计RBF神经滑模控制器用以削弱负载扰动对加工系统的影响.采用实时轮廓误差法估算出轮廓误差模型,并且将轮廓误差作为控制器的输入,设计迭代交叉耦合控制器用以削弱双轴参数不匹配和周期性轮廓误差对加工性能的影响,实现跟踪误差与轮廓误差的同时减小.仿真结果表明,所设计控制系统具有较强的鲁棒性和较高的轮廓精度.     

基于直接配点法的再入轨迹优化设计

介绍了直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为末端速度最大,控制变量则为迎角和滚转角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到航迹倾角和高度的约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于M at-lab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。因此,直接配点法对于再入轨迹优化问题的求解是可行的。     

基于杂交算法的机翼结构布局优化设计

为了解决机翼结构布局优化问题,提出一种同时进行拓扑优化、形状优化及几何尺寸优化的杂交优化算法。对拓扑设计变量和形状设计变量采用混合编码方式构造染色体结构,利用MSC/NASTRAN实现尺寸优化,并将其结果作为布局遗传操作的依据,利用混合编码遗传算法进行布局优化。为了加快收敛进程,利用专家知识的启发性功能对布局设计区域进行了有效缩减,以产生符合工程实际要求的布局形式。通过对大展弦比机翼结构的布局优化设计计算,表明文中所提结构布局优化方法减重效果明显,是可行和有效的。     

普适变量法在深空探测器轨道设计中的应用

给出了利用普适变量法来求解飞行时间，开普勒问题和高斯问题的计算方法，将这些方法用于深空探测器的轨道设计，针对不同要求提出了3种改进设计的方法，对每种方法的适用范围进行了详细的分析。在此基础上给出了深空探测器飞行轨道初步设计的完整方法。     

基于响应面和遗传算法的翼型优化设计方法研究

文章针对气动优化设计中高效率和高精度的矛盾,综合响应面方法和遗传算法的优点和不足,采用多项式响应面模型代替原始遗传算法中计算量庞大的目标特性分析模型,建立了多项式响应面模型和遗传算法相结合的翼型优化设计方法,在采用N-S方程进行气动求解达到较高的精度情况下,求解次数显著减少,优化效率大大提高。研究了设计变量对优化设计效率的影响,文中方法在较少设计变量、较少N-S方程求解次数情况下,即可得到满意的优化设计结果。设计区间对响应面模型精度的影响显著,合适的设计区间既可保证模型精度,减少响应面预测结果和CFD计算结果的偏差,又可获得最佳优化结果。文中方法适用于翼型的单设计点和多设计点优化设计问题,具有原理简单、适应面宽、快速易行,且精度高等特点,可广泛应用于工程设计问题中。     

基于改进颜色张量的照度不变轮廓检测

针对传统视觉低级特征检测中存在的忽略利用颜色信息来区分亮度相同而颜色不同的特征、忽略利用照度信息来剔除对特征检测的干扰和单一类型的边缘或角点检测不符合人类感观上对轮廓边界的完整描述等问题,文中提出了一种新的基于改进颜色张量的照度不变轮廓特征检测方法。该方法先利用一种新的非线性滤波器改进基于高斯内核的颜色张量,增强具有相反方向颜色通道的信息,再结合照度准不变模型得到改进的照度准不变颜色张量,排除照度信息,然后应用由张量技术实质派生出的边缘和角点测度进行联合特征检测,最终得到照度准不变轮廓特征。同时,文中还从理论上建立了改进的颜色张量和张量选举这一流行的模式识别技术之间的联系。实验结果证实了文中方法的有效性和鲁棒性。     

轴强度设计中相关数据自动查取算法与自动计算程序设计

提出并采用多区间直线拟合的方法来处理对数坐标连续曲线,介绍了多区间直线拟合方法的原理和求解策略.利用VB语言建立了数据库处理轴强度设计中的连续曲线图表,利用VB程序语言来实现轴结构简图的自动生成,并实现轴强度自动设计的全过程,实现了计算机自动查询相关数据的功能.     

顺序图设计法中的扰动和复杂结构分析

进一步分析了顺序图设计法中的扰动问题,给出了存在扰动信号的几种基本类型,作为判断扰动是否存在的基本依据,通过举例阐述了消除扰动信号的具体措施.分析了复杂结构功能表图的进展情况,提出了将复杂结构转变为单序列结构的方法,并通过举例说明复杂结构功能表图的顺序图设计.     

一种基于特殊个体的改进遗传算法

提出了一种不需要变异操作,只由交换操作就能遍历搜索空间所有状态点的改进遗传算法。这种算法通过在种群中增加两个特殊个体,就足以提供交换所需的基因材料。在计算量上这种算法比简单的遗传算法明显要小,仿真结果证明了这种算法的可行性     

整体叶轮展成电解精加工成型规律及运动设计

为提高整体叶轮精加工展成运动设计效率和加工精度,对精加工阴极表面进行离散化处理,研究其成型规律,建立了成型规律的数学模型,提出以叶片拟合型面母线的法向偏置线为基准进行展成运动轨迹设计.利用得到的数学模型对展成运动的合成进给速度进行优化设计,从而控制加工中去除材料的厚度.实验证明,以该数学模型为基础的展成运动设计方法可以...