全国空间轨道设计竞赛甲组题目1问题描述.pdfVIP

中国力学学会 中国科学院国家空间科学中心 西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室 第八届全国空间轨道设计竞赛甲组题目 1 2 李明涛 、于锡峥 1. 问题描述 人类太空活动的飞速发展，极大地改变了我们的生活，也产生了 数量庞大的空间碎片。作为影响航天器安全运行的重要因素，空间碎 片的减缓与清理已经成为航天领域的全球性关注问题。第八届全国空 间轨道设计竞赛甲组题目是太阳同步轨道空间碎片的多目标交会任 务。 图 1 空间碎片 该任务由一颗空间飞行器在一年内完成。初始时刻飞行器位于 1 研究员，limingtao@nssc.ac.cn 2 副研究员，yuxizheng@nssc.ac.cn ，010 中国力学学会 中国科学院国家空间科学中心 西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室 700km 高度的近地圆轨道上。飞行器总重 1000kg，可配置电推进系 统、脉冲推进系统或混合推进系统。通过合理地优化设计飞行器的飞 行轨迹，对太阳同步轨道上的空间碎片进行交会，交会后停留至少 3600 秒，然后释放重量为1kg 的碎片减缓装置。 根据交会碎片的雷达反射面积，交会并释放减缓装置后，飞行器 获得不同的碎片减缓收益。期望通过合理设计空间飞行器的飞行轨迹， 使得碎片减缓收益最大化，并实现良好的时间和燃料性能。飞行器和 碎片的轨道动力学模型考虑地球扁率J2 项的摄动影响。 2. 设计指标和评价标准 第一设计指标定义为空间碎片减缓收益： n J 1 vi （1） i 1 为交会的空间碎片数量， 等于第i 个空间碎片的减缓收益。假 n v i 设碎片的减缓收益等于该碎片的雷达反射面积。空间碎片的轨道数据 以及雷达反射面积会随题目一起发布。 当第一设计指标相同时，第二设计指标是最小化飞行器的飞行时 间： J T （2 ） 2 f T 为从初始时刻到交会最后一颗空间碎片并完成释放碎片减缓装 f 置的飞行时间，单位为天。 第三设计指标为最小化飞行器的燃料消耗： J m （3 ） 3 fuel 中国力学学会 中国科学院国家空间科学中心 西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室 燃料的单位为公斤（kg ）。 如果两组设计结果的设计指标 （ ）相差均在千分之一之 J 、J 、J 1 2 3 内，认为两组设计指标相同。设计指标的优先级从高到低排列，分别 是J 、J 、J 。 1 2 3 3. 动力学模型 3.1. 理想二体问题下的轨道动力学方程 假设地球是理想的均质球体，地球的引力场可以简化为质点引力 模型，即假设地球的质量全部集中在球心上。卫星绕质点引力模型下 的轨道运动称为理想二体运动。 卫星的轨道运动通常在地球惯性坐标系下描述。地球惯性坐标系 的原点在地球的质心，X 轴指向历元时