推力跃变的太阳帆航天器星际探测轨迹优化

摘要

本文研究了带有推力跃变的太阳帆航天器飞往100AU(1AU为一个天文单位,即日地平均距离)的星际探测轨迹优化问题,利用一次太阳光压甩摆来逃离太阳系.由于太阳帆推进不需要消耗燃料,当其经过近日点时释放一颗子航天器,使得原系统质量骤减而推力剧增.文中采用太阳帆理想光压模型和二体动力学模型,基于光压加速能力假设航天器到达5AU距离后开始定速巡航.近日点处推力跃变按内点约束处理,应用变分法将该参数不连续的时间最优控制问题转化为一个多点边值问题.对于100AU的星际探测任务,抛射质量为原系统80％的太阳帆航天器只需不到5年时间,5AU处的巡航速度高达24AU/year.仿真表明该推力跃变设计切实有效.