（航空宇航科学与技术专业论文）有限推力轨道转移优化方法与应用研究.pdf

“7 。o ；二二 r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nm e t h o d sa n d a p p l i c a t i o n so ff i n i t et h r u s tt r a je c t o r y r n 1i r a n s l e r c a n d i d a t e ：l i uf e n g a d v i s o r ：p r o f l i a oy i n g ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g i na e r o n a u t i c a la n da s t r o n a u t i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y g r a d u a t es c h o o lo fn a t i o n a lu n i v e r s i t yo fd e f e n s et e c h n o l o g y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a ( n o v e m b e r ，2 0 0 9 ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：盔哩蕉应轨道蛰塑选丝友洼生廑周盈究 学位论文作者签名： 型 虫肇日期：2 胛夕年，月2 罗日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期： 日期： 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 钉 第一章绪论1 1 1 研究背景和意义。l 1 2 有限推力轨道转移优化方法研究综述2 1 2 1 国内外有限推力空间探测活动概述3 1 2 2 有限推力轨道转移优化算法概述5 1 3 研究思路与主要研究内容9 1 3 1 研究思路9 1 3 2 主要研究内容1 0 第二章有限推力探测器轨道动力学建模1 2 2 。1有限推力探测器轨道动力学模型】2 2 1 1 笛卡尔坐标系下的动力学模型1 2 2 1 2 极坐标下的动力学模型1 3 2 1 3 轨道正切坐标系下的动力学模型1 4 2 1 4 经典轨道根数动力学模型1 6 2 1 5 改进春分点轨道根数动力学模型1 6 2 2 有限推力轨道转移推进系统模型1 7 2 3 有限推力轨道动力学模型的归一化处理1 8 2 4 行星星历信息的获取1 9 2 5 本章小结：2 0 第三章基于序优化理论的遗传算法及其实现2 1 3 1 序优化理论2 1 3 1 1 序优化理论概述2 】 3 1 2 基于序优化理论的参数选定算法2 3 3 1 3 经典测试函数测试算例及分析2 5 3 2 遗传算法2 6 3 2 1 遗传算法基本原理：2 6 3 2 2 遗传算法发展概况3 0 3 3 多目标优化方法31 3 3 1 多目标的转化3 2 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 3 3 2 约束条件的处理3 4 3 3 3 分布式并行计算3 5 3 4 基于序优化理论的多目标优化遗传算法3 8 3 5 本章小结4 0 第四章地球同步卫星远地点最优变轨4 1 4 1 问题分析与建模4 1 4 2 远地点变轨轨道控制优化4 4 4 2 1 优化参数的选取4 4 4 2 2 目标函数的定义4 4 4 2 3 多目标的转化4 5 4 2 4 约束条件4 5 4 2 5 优化问题的最终表达4 5 4 3 基于序优化理论的遗传算法最优化方案4 6 4 3 1 点火次数的估算4 6 4 3 2 优化参数初始区间与约束关系确定4 7 4 4 仿真算例与结果分析4 9 4 5 本章小结5 4 第五章地火有限推力最优轨道转移5 5 5 1 问题分析与建模5 5 5 2 地火有限推力变轨轨道控制优化5 8 5 2 1 优化参数的选取5 8 5 2 2 目标函数的定义5 9 5 2 3 多目标的转化5 9 5 2 4 约束条件6 0 5 2 5 优化问题的最终表达6 0 5 3 基于序优化理论的遗传算法最优化方案6 0 5 3 1 发射窗口及飞行时间的搜索方法6 0 5 3 2 优化参数初始区间的确定6 2 5 4 仿真算例与结果分析6 5 5 5 本章小结6 9 第六章结论与展望7 0 6 1 工作总结7 0 6 2 主要结论7 1 第1 i 页 致 参 作 作 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 常用星历数据表1 9 表3 1 序优化理论的基本概念2 2 表3 2 经典测试函数的测试结果2 6 表3 3 参数选定优化结果3 9 表4 1 使用序优化前的参数及终端约束初始区间4 7 表4 2 使用序优化后的参数及终端约束初始区间4 9 表4 3 优化参数设置4 9 表4 4 有限推力轨道转移优化结果5 0 表5 1 参数选定优化结果。6 4 表5 2 优化参数设置6 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 深空一号拍摄的清晰彗星照片4 图1 2s m a r t 1 等离子发动机演示图5 图1 3 论文研究思路框架图1o 图2 1 笛卡尔坐标系示意图1 3 图2 2 极坐标系示意图1 4 图2 3 轨道正切坐标系示意图1 5 图3 1 序优化理论应用示意图2 3 图3 2 参数选定算法的实现流程图2 4 图3 3o p c 示意图2 5 图3 4g a 的计算流程2 8 图3 5 分布式并行计算系统示意图3 6 图3 6 基于遗传算法的并行算法流程3 8 图3 7 经典m o p 问题的测试结果比较4 0 图4 1g e 0 卫星远地点推力系统及其坐标系4 2 图4 2 远地点变轨问题的o p c 4 8 图4 3 使用和未使用优化的收敛结果5 0 图4 4 两种点火方案的收敛情况。5 l 图4 5 四次点火优化过程各参数变化情况5 2 图4 6 四次点火优化过程示意图。5 2 图4 7 五次点火优化过程各参数变化情况5 3 图4 8 五次点火优化过程示意图5 4 图5 1 地一火有限推力系统及其坐标系5 5 图5 2 飞行时间一距离等高线图6 1 图5 3 飞行时间一质量等高线图6 2 图5 4 第一次优化的o p c 6 3 图5 。5 第二次优化的o p c 6 4 图5 6 没有采用序优化方法时的控制角时间历程6 6 图5 7 没有采用序优化方法时的g a 收敛情况6 6 图5 8 采用序优化方法时的g a 收敛情况6 7 图5 9 采用序优化方法时的变量收敛情况6 7 图5 1 0 采用序优化方法时的探测器飞行轨迹6 7 图5 11 采用序优化方法时的探测器质量时间历程6 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 1 2 采用序优化方法时的控制角时间历程6 8 图5 1 3 飞行时间一能量等高线图6 9 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着科学技术的进步与航天活动的迅速开展，有限推力轨道任务越来越受到 人们的重视。地球同步卫星入轨、远日行星探测及月球探测等相关任务都已经开 始实施或已被提上日程。有限推力推进系统因其高比冲极大增加了有效载荷的质 量百分比，节约了任务成本，增大了科学回报，但同时也对轨道优化技术提出了 新的要求。 本文以地球同步卫星远地点最优变轨和地火有限推力最优轨道转移为背景， 从理论上较为全面的研究了有限推力轨道转移优化方法与应用。主要研究内容包 括以下几个方面： 在基础理论方面：跟踪分析了国内外有限推力空间探测活动的发展历程；介 绍了三种有限推力轨道转移优化算法的研究现状及各自的优缺点：对不同坐标系 下描述的有限推力探测器轨道动力学模型以及模型的归一化处理技巧和星历信息 的获取方法进行了全面的阐述；系统论述了序优化理论和遗传算法的基本原理和 方法；介绍了多目标优化问题中目标的转化和约束条件的处理方法。 在优化算法改进和实现方面：针对直接法中优化参数搜索范围很大的问题， 提出了一种基于序优化理论的参数选定算法，并选用两个经典的测试函数对该算 法的可行性进行了验证；通过一种重要的多目标优化问题对该算法的性能进行了 评估。结果表明，该算法既能够有效缩小优化参数的搜索范围，又对复杂的多目 标多约束问题有较好的收敛性。为了克服多目标多约束优化计算负荷大的问题， 以及最大程度地利用遗传算法的内在并行性，实现了一种通用化的基于服务器端 客户端模式的分布式并行计算系统。该并行计算系统将优化算法作为服务器，将 大计算量的计算步骤分配给若干个计算客户端来完成。 在优化方法的应用方面：求解了基于直接优化算法的地球同步卫星远地点最 优变轨问题和地火有限推力最优轨道转移问题。在建立了相应坐标系描述的轨道 动力学模型后，使用参数化方法选取了待优化的控制变量并建立了轨道控制优化 模型；利用权重法和惩罚系数法将问题转化为单目标优化问题；使用等高线法和 基于序优化理论的参数选定算法对优化变量的范围进行了选定；利用基于序优化 理论的多目标遗传算法分别对两个算例的最优化方案进行了仿真，给出了仿真结 果。对使用参数选定算法前后的结果进行了对比分析，结果表明：该方法具有良 好的问题普适性，并且可以显著提高直接优化算法的效率。 本文的研究成果在空间探测有限推力轨道优化研究中具有良好的应用前景， 可为我国未来的空间探测任务提供一定的技术参考和理论借鉴。 主题词：轨道优化有限推力直接优化法序优化多目标遗传算法 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dp r o g r e s so ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ea e r o s p a c em i s s i o n s ，t h ef i n i t et h r u s tt r a j e c t o r i e sm i s s i o ni sd r a w i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o nf r o mt h ep u b l i c t h ei n je c t i o no ft h eg e o s t a t i o n a r ys a t e l l i t e ，t h eo u t e r p l a n e te x p l o r a t i o na n dt h er e v i s i to ft h em o o nh a v eb e e ni m p l e m e n t e do rl i s t e di nt h e t i m e t a b l e b e c a u s eo ft h eh i g hs p e c i f i ci m p u l s e ，t h ef i n i t et h r u s tp r o p u l s i o ns y s t e m i n c r e a s e st h em a s sp e r c e n t a g eo fp a y l o a d s ，e c o n o m i z e st h ec o s to fm i s s i o n sa n da d d s t h es c i e n t i f i cg a i n s h o w e v e r ，n e wd e m a n d sa r eb r o u g h tu pf o r t h et e c h n o l o g yo f t r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o n w i t ht h e b a c k g r o u n do ft h eo p t i m a lt r a j e c t o r y t r a n s f e ra tt h e a p o g e eo f g e o s y n c h r o n o u se a r t ho r b i t ( g e o ) s a t e l l i t ea n dt h eo p t i m i z a t i o no fe a r t h - m a r sf i n i t e t h r u s tt r a j e c t o r yt r a n s f e r ，t h i sd i s s e r t a t i o nt h e o r e t i c a l l ys t u d i e st h ea p p l i c a t i o na n d o p t i m i z a t i o nm e t h o d so ff i n i t e t h r u s tt r a j e c t o r yt r a n s f e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： i nt h ea s p e c to fb a s i ct h e o r y ：t h ed e v e l o p m e n to ff m i t et h r u s ts p a c ee x p l o r a t i o n m i s s i o n sa l lo v e rt h ew o r l da r et r a c k e d ；t h er e s e a r c ha c t u a l i t i e so ft h et h r e ek i n d so f f i n i t et h r u s tt r a j e c t o r yt r a n s f e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e da sw e l la st h e c o r r e s p o n d i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ；t h et r a j e c t o r yd y n a m i cm o d e l sd e s c r i b e d b yd i f f e r e n tc o o r d i n a t ef l a m e s ，t h en o r m a l i z a t i o ns k i l lt ot h em o d e l sa n dt h ee p h e m e r i s i n f o r m a t i o na r e f u l l ye x p a t i a t e d ；t h e f u n d a m e n t a l sa n dm e t h o d so fo r d i n a l o p t i m i z a t i o n ( 0 0 ) t h e o r ya n dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y ；t h e t r a n s f o r m a t i o no ft h eo b j e c t i v e sa n dt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n si nt h em u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o np r o b l e ma r ep r e s e n t e d i nt h ea s p e c to ft h ei m p r o v e m e n ta n di m p l e m e n t a t i o no fo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ：i n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fl a r g er a n g e so fo p t i m i z e dp a r a m e t e r si nt h ed i r e c tm e t h o d ， ap a r a m e t e rs e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do no ot h e o r yi sp r e s e n t e da n dt w oc l a s s i c a lt e s t f u n c t i o n sa r ep i c k e du pt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ；t h ep e r f o r m a n c eo f t h ea l g o r i t h mi se v a l u a t e dt h r o u g ha ni m p o r t a n tm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m t h er e s u l t ss h o wt h a t , f o rc o m p l i c a t e dm u l t i o b j e c t i v em u l t i - c o n s t r a i n tp r o b l e m s ，t h e a l g o r i t h mi sc a p a b l eo fr e d u c i n gt h es e a r c hr a n g e so ft h ep a r a m e t e r sa n dl e a d i n gt oa b e t t e rc o n v e r g e n c e i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fh u g ec o m p u t a t i o n a ll o a d se x i s t e di n t h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e ma l o n g 、析t ht a k i n gf u l la d v a n t a g e so ft h ei n n e r p a r a l l e lp r o p e r t yo ft h eg a ，a nu n i v e r s a ld i s t r i b u t e dp a r a l l e lc o m p u t a t i o n a ls y s t e m b a s e do nt h es e r v e r c l i e n tp a t t e r ni se s t a b l i s h e d i nt h i sc o m p u t a t i o n a ls y s t e mt h e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi s t h es e r v e ra n ds o m ec o m p u t a t i o n a lc l i e n t sc o m p u t et h e p r o c e d u r e sw h i c hh a v eh u g ec o m p u t a t i o n a ll o a d s i nt h ea s p e c to fa p p l i c a t i o n so ft h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d ：t h eo p t i m a lt r a j e c t o r y t r a n s f e ra tt h ea p o g e eo fg e os a t e l l i t ea n dt h eo p t i m i z a t i o no fe a r t h m a r sf i n i t et h r u s t 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t r a je c t o r yt r a n s f e ra r es o l v e d a f t e rs e t t i n gu pt h et r a je c t o r yd y n a m i cm o d e l si n a p p r o p r i a t ec o o r d i n a t ef r a m e s ，ap a r a m e t r i z a t i o nm e t h o di s u s e dt od e t e r m i n et h e o p t i m i z e dc o n t r o lv a r i a b l e sa n dt h e nt h et r a j e c t o r y c o n t r o lo p t i m i z a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d ；1 1 1 ep r o b l e mi st r a n s f o r m e di n t oas i n g l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m u s i n gt h em e t h o d so fw e i g h t i n ga n dp e n a l t yf a c t o r s ；t h er a n g e so ft h eo p t i m i z e d p a r a m e t e r sa r es e l e c t e dt h r o u g ht h em e t h o d so fc o n t o u ra n dp a r a m e t e rs e l e c t i o n a l g o r i t h m b a s e do n0 0t h e o r y ；t w o o p t i m a lp r o je c t s a r es i m u l a t e d u s i n g m u l t i o b je c t i v eg ab a s e do n0 0t h e o r ya n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h e c o m p a r a t i v ea n a l y s e sb e t w e e nu s i n gt h ep a r a m e t e rs e l e c t i o na l g o r i t h mb e f o r ea n da f t e r 1 1 1 er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sm e t h o di sf i t t e df o ra l lk i n d so fp r o b l e m sa n di s c a p a b l eo fi m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fd i r e c to p t i m i z a t i o na l g o r i t h md r a m a t i c a l l y t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sp o s s e s sf a v o r a b l ya p p l i c a b l ef o r e g r o u n di nt h ef i e l do f f i n i t et h r u s tt r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o nw h i c hc a np r o v i d es o m et e c h n i c a la n dt h e o r e t i c a l r e f e r e n c e sf o ro u rf u t u r es p a c ee x p l o r a t i o nm i s s i o n s k e yw o r d s ：t r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o n ； f i n i t et h r u s t ；d i r e c to p t i m i z a t i o n m e t h o d ；o r d i n a lo p t i m i z a t i o n ； m u l t i - o b j e c t i v e ； g e n e t i ca l g o r i t h m 誊 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 研究背景和意义 人类赖以生存的家园一地球，只是浩瀚宇宙中的沧海一粟。自古以来，人类 从未停止过对未知宇宙的不懈探索。2 0 世纪人类最伟大的成就之一就是开拓了“空 间 这一崭新的人类活动领域。进入2 1 世纪以后，随着空间探测技术的进步和发 展，开展以地球探测为中心，包括载人航天和深空探测等一系列空间探测活动的 热情日渐高涨。人造地球卫星技术和载人航天技术的发展，使人类认识宇宙的目 光越来越远；而探索更深更广的宇宙空间，则成为了现代人类航天活动的热点。 2 0 0 1 年1 1 月，我国国务院新闻办公室发布的中国的航天白皮书提出了我国 2 1 世纪前期航天事业的发展蓝图，即我们不仅要发射各种卫星，实现载人航天， 而且还要进行月球考察和深空探测，进一步加快空间探测的理论、技术研究和积 累，积极开展太阳系内行星探测活动，保持我们航天大国的技术领先地位，在空 间探测的竞争中取得先机。可以说，空间探测是一个国家综合国力和科学技术水 平的全面体现，对提高我国国际威望、增强民族凝聚力有着重要的意义与作用【l 】。 轨道转移优化技术作为空间探测的关键技术之一，是进行空间探测必须解决 的问题。空间探测器轨道转移优化技术作为空间探测工程总体和分系统( 如测控 系统、发射系统、运载系统等) 的技术支撑，是以航天器轨道动力学理论和方法 为基础，根据飞行任务和轨道类型，综合考虑运载能力、飞行时间、发射窗口、 轨道测量、推进剂质量消耗等问题约束，进行轨道转移方案研究并对性能指标进 行优化设计，给出空间探测器的飞行条件、飞行程序及其控制策略的一项技术。 轨道转移优化技术的发展是伴随着火箭发动机的发展历程而不断深入的。在空间 探测的初期，传统大推力推进技术被大量使用，其特点是推力大，作用时间短， 可认为是脉冲式变轨，一个最典型的应用就是固体、液体或混合型的化学上面级 火箭发动机【2 】。但是随着空间活动的不断开展，基于冲量假设的脉冲推力技术已不 能满足所有任务的需求，存在如下缺点： 1 脉冲推力要求探测器具有较大的推力和较短的点火时间，一般空间探测器的 实际发动机与冲量假设要求相去甚远。 2 在使用液体燃料发动机作为轨道转移推力器时，一般需要使用沉底发动机预 先点火，用于推进剂沉底。这种情况下，改变了点火点的位置和状态，将造成控 制参数与设计之初不相符，造成变轨精度降低。 3 有限推力主发动机，单次推力时间和推力弧段较长，导致推力矢量在惯性空 间是一个实时变化量，冲量控制设计并不能反映这种控制过程。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 可以看到，冲量变轨只是工程问题的简化处理方法。在这种情况下，有限推 力推进技术开始发展起来。有限推力推进系统是指不同于脉冲推进系统的，推力 小、工作寿命长、比冲高、质量随时变化、推进效率高和需要即时轨道更新信息 的一类新型推进系统。它具有传统推进系统所不具备的一些优点： 1 控制精度高。有限推力发动机可进行多次点火，前一次点火中产生的误差可 在以后多次点火期间修正，而且在变轨期间其低推力特性使探测器容易维持其三 轴稳定性。 2 较高的推进质量比可以增加有效载荷的净质量，使一些飞行任务成为可能。 例如星际载人航行中生命保障系统载荷的增加，使得人类飞出地月系统成为可能。 3 对发射窗口的要求变低，更容易实现自主导航和控制。 4 可用较小级别的运载火箭发射，大大节省发射成本。 5 有限推力发动机因体积小，推进引起的振动小，因此点火期间对探测器的振 动干扰小。 上述新特性正适合探测器对空间推进系统提出的高速飞行、长期可靠工作和 克服较小阻力的要求，不但可用于近地空间探测器的变轨控制，也适用于深空探 测和星际航行的主推进。也正因为这些特点，对有限推力轨道转移问题的数学描 述就不适用经典的动力学模型，同时导致传统的优化方法难以直接应用到有限推 力变轨的优化设计中去。因此，我们有必要对基于有限推力的轨道转移优化技术 进行研究。 近地有限推力轨道转移是有限推力空间探测的一个重要组成部分。目前应用 最广的是将卫星从地球转移轨道送入地球同步轨道。当卫星在向同步轨道转移的 过程中，往往面临飞行圈数多、飞行时间长、多次点火燃料消耗大、测控约束条 件复杂等诸多问题。在这种情况下，如何优化设计出能够获得卫星最大定点质量、 较高远地点点火弧段变轨效率和最少卫星定点捕获燃耗【3 】的轨道转移方案，是近地 有限推力轨道优化研究的重要课题。 利用有限推力技术实现地球一火星轨道转移也是近年来空间探测领域非常热 门的一个研究方向。在这个领域中需要解决以下问题：如何对地火转移轨道进行 快速有效的初步近似设计；如何将与轨道有关的性能指标和设计参数转化为一个 控制优化问题以及如何保证轨道优化结果的全局最优性和快速收敛性。 本文正是基于以上问题对有限推力轨道转移优化在地球同步卫星轨道转移和 地火轨道转移方面的应用进行了较为深入的探讨和研究，这些研究结果可以为我 国未来的空间探测提供一些技术参考和理论借鉴。 1 2 有限推力轨道转移优化方法研究综述 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 1 国内外有限推力空间探测活动概述 有限推力推进系统除了传统意义上的有限推力化学推进系统外，主要有利用 电能产生并加速带电粒子以获得高喷气速度的电推进、利用核裂变和核聚变时释 放的大量能量获得速度的核推进以及利用目标星球引力和气动力的借力推进三 种。在上述推进系统中，核推进因为核聚变技术尚未突破、核裂变产生核污染等 问题发展受阻；借力推进技术受制于苛刻的环境条件并且尚处于基础研究阶段； 近期真正可以采用的、比较现实和成熟的技术是电推进【4 】，具体实现有太阳能电推 进和电离子推进。近年来随着电推进系统的发展和完善，推进器寿命延长，比冲 进一步增加，已经开始用于空间探测任务之中。美国、欧洲航天局( e s a ) 及日本 等国家和机构分别采用独立研制或联合研制等不同方式开始了各自的有限推力推 进技术工程项目的研究工作。 美国凭借其强大的经济和科技实力，在有限推力空间探测活动方面一直处于 世界领先的水平。有限推力推进技术的首次应用，就是1 9 9 8 年l o 月2 4 日由美国 国家航空航天局( n a s a ) 发射的“深空一号”( d e e ps p a c ei ) 探测器。作为世界 上第一个以电离子推进发动机为主推进器的探测器，其主要任务是探测彗星和小 行星的形状、大小、运动特征、表面形态与结构和慧发与慧尾的成分等。d e e ps p a c e i 先后飞临了小行星1 9 9 2 k d 、小行星9 9 8 9 b r m l l e 和彗星b o r r e l l y 等，拍下了大量 珍贵的高分辨率照片【5 j ，如图1 1 所示。通过d e e ps p a c e1 的探测任务，n a s a 对 直流电离子推进技术进行了大量的试验验证，并对高集成小型化电子设备技术进 行了可靠性试验，为先进电子设备广泛应用于各类航天器奠定了基础。1 9 9 9 年3 月发射了采用太阳电推进的“火星全球勘探者”( m g s ) ，其任务主要是收集火星 结构、地形地貌、重力场分布、大气环流运动和行星际磁场等数据。凭借其很短 的轨道周期，在短短两年的时间内m g s 已经围绕火星运行了1 万多圈，传回地球 的数据量远远超过历次火星探测活动的成果总和。2 0 0 3 年1 1 月，美国发射了采用 太阳电推进的“木卫二轨道飞行器”。该飞行器于2 0 0 7 年抵达木卫二后，穿透1 公 里厚的冰层以探测木卫二是否存在海洋。2 0 0 4 年3 月，美国发射了采用太阳电推 进的“信使”号水星探测器，并于2 0 0 8 年抵达水星，对其大气、水星表层和磁层特 征进行探测。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 深空一号拍摄的清晰彗星照片 近年来欧洲的航天活动也十分活跃。凭借欧盟国家之间技术力量和资源的共 享与整合，欧洲的空间探测技术的发展迅速。2 0 0 3 年6 月3 日，欧洲的第一个火 星探测器一携带“猎兔犬”2 号着陆器【6 】的“火星快车”号探测器采用太阳能电推进 发动机踏上了奔向火星的征程。“猎兔犬”2 号着陆器的质量为6 8 k g ，进行了为期半 年的考察，其内部装有多种先进探测设备和一只具有挖掘火星深层土壤的机械臂， 在降落伞和缓冲气囊的帮助下于火星表面成功实施了软着陆。2 0 0 3 年9 月2 7 日 e s a 发射的s m a r t 1 探测器是世界上第三个应用电离子推进器，也是e s a 第一 个造访月球的探测器。其主要飞行任务是验证静态等离子体推进发动机用于深空 探测轨道控制的可行性和实际工作中的性能。良好的试验结果展示该推进系统极 有可能成为今后e s a 空间探测任务的首选。s m a r t 1 等离子发动机的演示图如图 1 2 所示【7 1 。2 0 0 5 年1 1 月，e s a 发射了“金星快车”，并于2 0 0 6 年4 月进入金星的 一个大离心率的极地轨道，周期为2 4 小时。“金星快车”号探测器重点研究金星大 气的结构、组成和动力学特征、等离子大气环境以及太阳风与金星大气的相互作 用。在3 年后返回地球时，带回了将近两万亿比特的科学实验数据【8 j 。e s a 还将于 今年发射b e p ic o l o m b o 水星探测器【9 】。该探测器由水星行星轨道站、水星磁层轨 道站和水星表面探测部件三个模块构成。在行星际飞行段中，探测器使用了太阳 能电推力器，并利用月球和金星的引力进行了助推。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 2s m a r t 一1 等离子发动机演不图 日本的空间探测活动虽然起步较晚，但因其经济与技术实力较强，已经取得 了迅速的进步。2 0 0 3 年5 月9 日，日本空间和宇航科学学院( i s a s ) 用m 5 火箭 成功地把m u s e s c 小行星探测器发射升空，准备执行人类首次从小行星带回岩石 碎片的任判引。作为世界上第二颗采用电离子推进发动机的探测器，m u s e s c 将 前往距离地球3 x 1 0 8 o n 的1 9 9 8 s f 3 6 号小行星采集岩石样本，同时对自主导航技术 譬 和地球返回技术进行验证。i s a s 的研究人员还研发了电离子推进的金星气候轨道 器，名为p l a n e t c t l o l 。他们于2 0 0 8 年发射了一颗三轴稳定航天器，并于2 0 0 9 年抵达金星。p l a n e t c 的主要目的是观察金星气候以对金星底层大气的全球循 环和三维运动的机理进行研究。 中国的有限推力空间探测活动和西方发达国家相比存在一定的差距，目前应 用有限推力技术的工程项目不多。但经过几十年几代航天人自力更生、艰苦卓绝 的奋斗，也形成了一条以我为主、走自己之路的特色发展路线。进入新世纪以来， 随着月球探测二期、三期工程、载人航天二期工程、中俄联合火星探测计划和“夸 父计划”等【1 1 ，1 2 】项目的开展，加大了对有限推力技术研究的投入，推进了该领域若 干前沿技术的发展，必将加快中国有限推力空间探测活动的进步与创