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月球大椭圆太阳同步测控回归冻结轨道设计

航空学报 2024年

作者：孟占峰北京空间飞行器总体设计部

针对我国嫦娥六号月背采样返回任务中继通信的需求，提出了一种全新的月球大椭圆太阳同步测控回归冻结轨道类型以及相应的设计方法。采用von Zeipel正则变换方法，建立了考虑地球三体引力一阶、二阶项和月球J2项的大椭圆环月轨道的平均... 详细信息

针对我国嫦娥六号月背采样返回任务中继通信的需求，提出了一种全新的月球大椭圆太阳同步测控回归冻结轨道类型以及相应的设计方法。采用von Zeipel正则变换方法，建立了考虑地球三体引力一阶、二阶项和月球J2项的大椭圆环月轨道的平均动力学方程。基于平均动力学方程，给出了冻结轨道所需满足的条件和相应的约束方程。在冻结轨道的基础上，进一步提出了太阳同步冻结轨道的条件，揭示了其针对月背采样任务可长期稳定保持与指定采样点的光照条件的独特优点，并解决了中继卫星轨道与嫦娥六号多窗口发射匹配的难题；在近地轨道节点周期概念的基础上，提出了月球轨道的测控回归概念，并建立了相应的约束方程，实现了使命轨道周期与的测控条件重复周期共振，进而长期保持稳定的测控条件。以嫦娥六号中继使命轨道设计为背景，给出了同时满足冻结、太阳同步和测控回归三个条件的月球大椭圆中继轨道设计流程和设计结果。利用真实全摄动模1型对轨道设计结果进行了仿真验证，结果表明：本文给出的中继轨道参数冻结良好，与太阳同步稳定，测控回归精度高，可以完全满足嫦娥六号月背中继任务要求。

关键词：冻结轨道太阳同步测控回归轨道设计中继卫星

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长期拟周期近直线晕轨道高效设计方法

宇航学报 2024年第1期45卷 43-51页

作者：秦理民杨洪伟李爽南京航空航天大学航天学院南京211106

面向未来近月空间站部署需求,提出了一种三级修正的长期拟周期近直线晕轨道(NRHO)设计方法。首先,设计了新的离散点选取策略,降低了对参数敏感区域的打靶需求,提高了多点打靶法计算多圈次拟周期NRHO的收敛性能。然后,基于NRHO的对称特性... 详细信息

面向未来近月空间站部署需求,提出了一种三级修正的长期拟周期近直线晕轨道(NRHO)设计方法。首先,设计了新的离散点选取策略,降低了对参数敏感区域的打靶需求,提高了多点打靶法计算多圈次拟周期NRHO的收敛性能。然后,基于NRHO的对称特性,给出了初始拟周期NRHO圈次延续方法和滚动时域长期拟周期NRHO生成方法,根据拟周期NRHO近月点半径设计了修正策略。使用不同的NRHO进行仿真实验,生成了维持500圈约10年的长期拟周期NRHO。仿真结果表明本方法提高了收敛效率,且能有效生成地月空间长期拟周期NRHO。

关键词：地月空间拟周期近直线晕轨道多点打靶法轨道设计

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空间多目标掠飞观测接近轨道设计方法

现代防御技术 2024年第1期52卷 57-64页

作者：刘育昊张兵方子今航天科工空间工程发展有限公司北京100854 航天科工第二研究院研究生院北京100854

针对当前的天基空间观测任务中存在的观测效率低、燃料不足等问题,基于粒子群算法与空间多目标观测模型提出一种空间多目标掠飞观测的接近轨道设计方法以实现观测器在不变轨道的情况下实现对特定多目标的近距离掠飞观测。结合两轨道卫... 详细信息

针对当前的天基空间观测任务中存在的观测效率低、燃料不足等问题,基于粒子群算法与空间多目标观测模型提出一种空间多目标掠飞观测的接近轨道设计方法以实现观测器在不变轨道的情况下实现对特定多目标的近距离掠飞观测。结合两轨道卫星的距离计算与天光地影条件建立空间多目标观测模型。利用粒子群算法对观测器轨道六根数优化,得到对特定多目标的综合最近距离观测的最优轨道,以轨道高度差产生的周期差抵消目标与交线处位置的相位差,以消耗时间为代价得到了最省燃料的方式。利用仿真说明了该轨道设计方法的有效性。

关键词：多目标观测轨道设计天光地影条件粒子群算法掠飞观测燃料最优

致密油“井工厂”水平井组“勺形”井眼轨道设计

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西部探矿工程 2024年第4期36卷 51-54,57页

作者：党文辉李永刚张文波楚恒智王敬朋中国石油新疆油田分公司新疆克拉玛依834000

“井工厂”水平井作业模式是高效开发致密油的关键技术之一,已在国内外广泛应用,国内尚处起步阶段。采用常规三维井眼轨道设计方法设计的水平井组,在两井排靶区之间出现了较大面积的死油区,石油资源不能被有效动用,国外采用勺形井眼轨... 详细信息

“井工厂”水平井作业模式是高效开发致密油的关键技术之一,已在国内外广泛应用,国内尚处起步阶段。采用常规三维井眼轨道设计方法设计的水平井组,在两井排靶区之间出现了较大面积的死油区,石油资源不能被有效动用,国外采用勺形井眼轨道解决了这一问题。勺形井眼轨道在造斜点位置开始反向钻进,钻进一段后再次造斜向着靶区钻进,这能更早钻遇储层,减少死油区面积。通过研究勺形井眼轨道的特征,结合三维井眼轨道设计理论,得出勺形井眼轨道设计的关键在于优化靶前距。由于“井工厂”井眼间距很小以及勺形井眼轨道具有反向钻进特征,可能会导致井排井眼在直井段、造斜初始井段、入靶前井段等位置出现相碰风险,为了减小相碰风险,提出了优化井场布局、错开造斜点和靶区位置的“井工厂”水平井作业轨道优化设计方法。对新疆昌吉致密油田一组双排六口井的“井工厂”水平井组进行了设计对比,采用常规井眼轨道设计方法死油区面积达到468000m^(2),而采用本文提出的井眼轨道优化设计方法死油区基本上可忽略不计,该方法使得“井工厂”水平井组能更加有效地开发致密油。对井眼相碰风险和摩阻扭矩分析表明,优化设计方法能降低井眼相碰风险,勺形井眼轨道对摩阻扭矩的影响有限,水平段钻进能正常延伸。

关键词：致密油 “井工厂” 水平井死油区勺形井眼轨道设计

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渤海油田侧钻井轨道优化设计方法

石化技术 2024年第2期31卷 199-201页

作者：许小舟陈立强陈辉中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300459 中海油田服务股份有限公司天津300459

渤海油田利用老井侧钻可实现老油田剩余油经济有效开发,不同的侧钻轨道设计方案决定着防碰风险大小、老井眼弃井工艺、侧钻后井身结构等等,如何选择最优的侧钻轨道至关重要。基于安全、经济、高效的设计准则,提出一种“井位匹配+自下而... 详细信息

渤海油田利用老井侧钻可实现老油田剩余油经济有效开发,不同的侧钻轨道设计方案决定着防碰风险大小、老井眼弃井工艺、侧钻后井身结构等等,如何选择最优的侧钻轨道至关重要。基于安全、经济、高效的设计准则,提出一种“井位匹配+自下而上的侧钻点优选”的渤海油田侧钻轨道设计方法,该方法应用于渤海某油田3口井的钻完井设计中,结果表明:该方法可实现轨道防碰风险降低、井控风险可控,降低成本100余万元,能够满足地质油藏所有需求。该方法在满足安全的前提下,可大幅提高侧钻井的经济性及方案设计的效率,为渤海油田侧钻井轨道设计提供了一种新思路。

关键词：渤海油田侧钻轨道设计井位匹配自下而上

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星历模型下地月自由返回全飞行过程轨道设计

宇航学报 2023年第1期44卷 43-51页

作者：彭祺擘和星吉陈天冀武新峰徐明中国航天员科研训练中心北京100094 北京航空航天大学宇航学院北京102206 北京航空航天大学未来空天技术学院/高等理工学院北京100191

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解... 详细信息

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解,给出了变平面机动的计算方法。进一步提出了两轮逐次优化修正策略,分别以高度和再入走廊为主要约束,采用内点法和SQP算法在高精度星历模型下对自由返回轨道初值进行逐次优化修正。之后,采用SQP算法在星历模型下对近月三脉冲变轨进行优化修正,得到了星历模型下的自由返回+近月三脉冲变轨地月转移策略。仿真校验结果表明本文提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道,为载人登月任务的转移轨道设计提供参考。

关键词：载人登月星历模型自由返回地月转移轨道设计

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访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

宇航学报 2022年第11期43卷 1522-1532页

作者：夏存言张刚耿云海周斯腾哈尔滨工业大学航天学院卫星技术研究所哈尔滨150080 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航... 详细信息

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J 2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。

关键词：相对运动周期重访轨道设计数值方法

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地面多目标快速响应任务轨道设计

宇航学报 2023年第5期44卷 677-686页

作者：张海洋张刚哈尔滨工业大学航天学院卫星技术研究所哈尔滨150001

针对多目标快速响应对地成像任务,提出了一种J_(2)摄动下4个地面目标重复访问以及5个地面目标单次访问的轨道设计方法。首先在轨道倾角已知的假设下,通过第1个目标点的访问约束解析得到升交点赤经和参数纬度幅角,然后通过第2、3、4个目... 详细信息

针对多目标快速响应对地成像任务,提出了一种J_(2)摄动下4个地面目标重复访问以及5个地面目标单次访问的轨道设计方法。首先在轨道倾角已知的假设下,通过第1个目标点的访问约束解析得到升交点赤经和参数纬度幅角,然后通过第2、3、4个目标点的访问约束数值求解得到近地点角距、偏心率和半长轴。最后,通过增加回归轨道约束或第5个目标点的访问约束,将轨道设计问题转化为只含有倾角的一维非线性方程,通过一维数值搜索进行求解。仿真结果表明,通过所提方法设计轨道的星下点轨迹能够精确经过指定的多个地面目标,验证了方法的有效性和正确性。

关键词：快速响应空间多目标点星下点轨迹轨道设计 J2摄动

基于连续小推力转移的小行星防御轨道设计与仿真

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兵工学报 2022年第S2期43卷 146-152页

作者：刘豪董跃杨倩刘佳北京理工大学宇航学院北京100081 北京空间科技信息研究所北京100094

人类发现的小行星越来越多,为应对小行星碰撞地球,国内外许多学者开展了动能撞击防御技术的研究,有学者基于脉冲转移方案开展了Apophis小行星动能撞击轨道优化设计。采用连续小推力直接转移方案对Apophis小行星动能撞击进行轨道设计和... 详细信息

人类发现的小行星越来越多,为应对小行星碰撞地球,国内外许多学者开展了动能撞击防御技术的研究,有学者基于脉冲转移方案开展了Apophis小行星动能撞击轨道优化设计。采用连续小推力直接转移方案对Apophis小行星动能撞击进行轨道设计和仿真。结果表明,新方案对发射时地球的位置敏感度较低,所有窗口下最优转移轨道的飞行时间都接近于最大允许飞行时间;撞击时Apophis的轨道相位均在近日点一侧,此时Apophis的轨道速度较高,有利于得到较大的撞击速度。通过对新设计方案和脉冲直接转移方案的设计结果进行比较,新方案实现的Apophis速度增量约为脉冲转移方案的1.78倍。

关键词：小推力转移脉冲转移行星防御轨道设计