2025-04-20 21:22 来源：本站编辑
随着越来越多的卫星、望远镜和其他航天器被建造成可修复的，服务航天器将需要可靠的轨道来安全到达它们。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院航空航天工程系的研究人员正在开发一种方法，该方法将允许多个立方体卫星作为服务代理来组装或修理太空望远镜。他们的方法最大限度地减少了燃料消耗，保证服务代理之间的距离不会超过5米，并且可以用来解决与空间无关的路径引导问题。
航空航天博士生Ruthvik Bommena说：“我们开发了一种方案，可以使立方体卫星在不发生碰撞的情况下有效运行。”“这些小型航天器的机载计算能力有限，因此这些轨迹是由任务设计工程师预先计算出来的。”
Bommena和他的指导老师Robyn Woollands通过模拟两个，三个或四个车辆群同时在服务车辆和正在进行太空维修的太空望远镜之间运输模块化组件来演示该算法的性能。
“这些轨迹很难计算和计算，但我们提出了一种保证其最优性的新技术，”Bommena说。
Bommena说，最困难的方面是距离的规模。詹姆斯·韦伯太空望远镜的轨道距离太阳-地球拉格朗日点2约150万公里。这里是太阳和地球引力相互平衡的地方，是深空观测卫星在远离太阳的情况下保持轨道运行的理想地点。
“在没有太多技术含量的情况下，我们使用间接优化方法来保证输出方案是燃料最优的。直接方法并不能保证这一点。”
“我们还将防碰撞路径不等式约束作为硬约束纳入到最优控制公式中，因此航天器在轨迹中的任何一点都不会违反约束。”
Bommena解释说，传统的直接或间接的方法，如避碰，将轨迹分解成多个弧线，从而成倍地增加了复杂性。
“我们的方法允许将轨迹求解为单个弧线。我们只是从起点直接到终点。它更省油，计算效率更高。”
该研究的另一个重要成果是建立了一种新的目标相对圆形受限三体问题动力学模型。
“我们需要减轻来自太阳和地球之间巨大距离的数字挑战，”Bommena说。“为了做到这一点，我们首先将框架的中心沿着x轴从太阳-地球质心移动到拉格朗日点L2的位置，然后推导出相对于目标航天器的运动方程。我们还引入了一个新的距离单位，通过应用比例因子，根据原始距离测量按比例调整。”
Bommena说他和Woollands在这个项目上花了大约一年半的时间。他的突破出现在一次长途飞行中。
“数学在纸面上起作用了。我们遇到的主要问题是数字。我在长途飞行中编写代码。我尝试了一些方法，突然间，解决方案收敛了。起初，我不相信。那是一个非常激动人心的时刻，接下来的几天感觉棒极了。”
Bommena表示，虽然这项工作的应用是为了使太空维修和组装更安全、更高效，但他们开发的方法非常通用，可以用于其他具有不同约束条件的轨迹优化场景。
