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太阳帆航天器轨道转移优化及可视化仿真平台的设计与实现

贾灵伟  
【摘要】: 太阳帆航天器是一种在深空探测和星际航行等领域极具潜力的新型航天器,利用太阳光压产生持续推力,给航天器提供连续小推力,且自身无需携带大量燃料,因此在深空探测和星际航行等航天领域具有广阔的应用前景,近年来得到了国际航天界广泛的关注。 本文研究了太阳帆航天器从地球轨道到以太阳为中心的火星和金星轨道及平衡点转移的轨迹优化问题。为了获得最小转移时间,给定的任务通常是分析太阳帆方向角连续变化的最小时间最优控制问题。文中采用了分段的太阳帆方向角,其目的是为了充分地减少整个任务调整太阳帆方向的复杂性,同时也能够减少因调整姿态而消耗的能量。利用两种离散方法将最优控制问题转化为参数优化问题,并基于粒子群算法优化参数——太阳帆方向角和轨道转移时间,最终获得太阳帆的最优转移轨迹。 考虑到实际中试飞太阳帆的困难和所需的高昂费用,本文研究了太阳帆三维可视化虚拟场景仿真,利用可视化技术的相关理论,设计并实现了基于Vega环境下的太阳帆虚拟视景仿真系统,演示了太阳帆轨道转移的全过程,为研究太阳帆飞行轨迹提供直观的根据。 在此基础上,利用Creator软件建立太阳帆结构模型和太空环境模型,采用轨迹优化得到的飞行数据驱动视景场景中的太阳帆三维模型实现仿真飞行,通过Vega的交互函数实现了太阳帆轨道转移的视景仿真,具有良好的仿真效果,且有一定的真实感。


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