金星探测器概念设计

金星探测史
金星是太阳系中最接近地球的行星之一，也是最接近太阳的行星。

由于它的表面温度极高，大气压强巨大，且云层密布，使得对这颗行星的探测变得异常困难。

以下是金星探测史的一些里程碑：
1. 1961年，苏联“金星1号”和“金星2号”探测器成功飞越金星，并拍摄到了金星的照片。

这是人类历史上第一次对金星进行了探测。

2. 1975年，美国“马里纳9号”探测器成功着陆在金星的表面，并传回了第一张在行星表面拍摄的照片。

3. 1985年，苏联“金星13号”探测器成功着陆在金星表面，
并传回了第一段在行星表面录制的视频。

4. 1990年，美国“马格兰号”探测器成功飞越金星，并拍摄了高精度地图，使得人们对金星的认识大大提高。

5. 2005年，欧洲空间局的“金星快车”探测器成功飞越金星，对金星的大气和地质结构进行了研究。

6. 2015年，日本“阿卡茨基号”探测器成功进入金星轨道，对金星的大气层进行了详细观测。

虽然对金星的探测已经取得了很大的进展，但它仍然是一个充满未知的神秘行星，我们需要继续努力探索，以更好地了解它。

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0254-6124/2021/41(2)-310-10Chin. J. Space Sci.空间科学学报ZHANG Jiawen, ZHENG Jianhua, WANG Youliang, LI Mingtao. Trajectory design for solar approaching detection mission using multiple resonant gravity assists of the Venus (in Chinese). Chin. J. Space Sci., 2021, 41(2): 310-319. D01:10.11728/cjss2021.02.310基于金星共振借力的太阳抵近探测任务轨道设计张佳文1>2郑建华M王有亮1李明涛w1(中国科学院国家空间科学中心北京100190)2(中国科学院大学北京100049)摘要对于太阳抵近探测任务，从地球直接发射探测器至太阳附近需要消耗巨大能量，通过多次金星借力飞行，可有效降低地球发射能量C3及中途变轨的燃料消耗.本文研究基于金星共振借力的太阳抵近探测任务轨道优化 设计，建立了连续共振借力和混合共振借力的转移轨道优化设计模型，并针对2025—2028年的发射窗口开展太阳 抵近探测任务轨道优化设计.仿真结果表明，相比连续共振借力，混合共振借力可以有效缩短太阳抵近探测任务的 轨道转移时间，对于地球发射能量C3和中途变轨燃料消耗的影响未见明显的规律性，能量降低与序列中的共振比 相关.关键词太阳抵近探测，共振借力，轨道设计中图分类号V412T rajectory D esign for Solar A pproaching D etectio n M ission U sin g M ultiple R eson an t G ravityA ssists of th e V enusZHANG Jiawen1，2ZHENG Jianhua1，2WANG Youliang1LI Mingtao1-2'[^National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences, Beijing100190)2{University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049)A b s t r a c t T o a p p r o a c h c l o s e t o t h e S u n,d i r e c t l a u n c h f r o m t h e E a r t h c o s t s a lot o f e n e r g y,w h i c hc a n b e e f f e c t i v e l y r ed u ce d b y t h e g r a v i t y a s s i s t of t h e V e n u s.I n t h i s p a p e r,i n t e r p l a n e t a r y t r a n s f e rt r a j e c t o r i e s w i t h m u l t i p l e r e s o n a n t g r a v i t y a s s i s t s o f t h e V e n u s a r e d e s i g n e d f o r a s o l a r a p p r o a c h i n gd e t e c t i o n m i s s i o n.A n d d e s i g n m o d e l s f o r t h e t r a j e c t o r i e s w i t h c o n t i n u o u s r e s o n a n t g r a v i t y a s s ists,a s w e l l a s r e s o n a n t a n d n o n-r e s o n a n t g r a v i t y a s s i s t s c o mb i n e d a r e b u i l t.A m i s s i o n l a u nc h ed be t w e e n2025 a n d 2028 is s t u d i e d.T h e s t u d y s h o w s t h a t, c o m p a r e d w i t h t r a j e c t o r y w i t h c o n t i n u o u s r e s o n a n tg r a v i t y assis t s,t r a j e c t o r y w i t h r e s o n a n t a n d n o n-r e s o n a n t g r a v i t y a s s i s t s c o m b i n e d is u s e f u l f o rr e d u c i n g t r a n s f e r t i m e o f s o l a r a p p r o a c h i n g d e t e c t i o n m i s s i o n.A n d its i m p a c t o n t h e e n e r g y c o s t is n o t u n i v e r s a l,w h i c h is r e l a t e d t o t h e r e s o n a n c e r a t i o i n t h e t r a j e c t o r y.K e y w o r d s S o l a r a p p r o a c h i n g d e t e c t i o n,R e s o n a n t g r a v i t y assist, T i'a j e c t o r y d e s i g n2019-11-27收到原稿，2020-09-13收到修定稿E-mail: ***********************〇引言深空探测任务飞行时间长，转移所需能置大，为 了节约发射成本和降低燃料消耗，很多深空探测任务 都采用借力飞行技术.借力飞行（gravity assist /fly - by )技术是指设计深空探测器轨道经过天体附近，利 用其引力进行加速、减速或转向.为实现连续借力, 通过设计借力参数，使得探测器借力后与借力天体 之间形成共振轨道的借力飞行技术称为共振借力飞 行（resonant gravity assist ) •截至目前，国际上很多深空探测任务都采用了借 力飞行技术，其中应用共振借力飞行技术的任务中比 较典型的有：伽利略号木星探测任务（Galileo )，采用 金星地球-地球借力（VEEGA )序列,探测器经第一 次地球借力后，其轨道周期与地球轨道周期呈2 :1 关系；帕克太阳探测器（Parker Solar Probe , PSP )， 采用7次金星借力（V 7GA )序列，转移轨道中设计 了 3次共振借力，分别实现探测器与金星轨道周期 成2:3, 1 :2, 3:7的比例关系.共振借力飞行主要应用于多次借力的飞行任务 中，主要设计目标是：将探测器借力后的轨道周期与 借力天体轨道周期设计成一简单的整数比，为下一次 借力设计提供便利.对于太阳抵近探测任务，如果直接将探测器发射 到远日点距离为1 AU (A U 为天文单位)，近日点距离 为10风（i ?s 为太阳半径）的大椭圆轨道上，需要的 发射能M 高达437km 2f -2,目前的运载火箭尚未达 到这个发射能力，因此通过借助行星的引力降低发射 能量是必由之路.对于太阳抵近探测任务，20世纪末即有研究提 出通过木星借力将探测器转移至距离太阳4〜15艮 的任务概念I 1#.由于科学研究非常关注太阳极区位 置，因此设计探测器经木星借力后偏离黄道面，沿高 倾角轨道飞向太阳，飞行时间为3.5〜4a .这也是帕克 太阳探测任务早期的轨道方案.但是此方案中探测 器飞至木星的路程远，对其热控与能源系统要求非常 高，并且探测器最终目标轨道的周期长达4年，使得 有限的任务周期内可对太阳进行就位探测的时间极 短，有研究提出了 7次金星借力的轨道转移方案1气 探测器预计7年后转移至近日点距离为9.8凡、周期 为88 d 的观测轨道上，对太阳进行就位观测.实际上，SukhanovW 在1999年即已提出通过内张佳文等：基于金星共振借力的太阳抵近探測任务轨道设计行星借力将探测器转移至太阳附近的轨道方案，并设计了发射窗口在2002年，通过金星、地球、火星的 借力将探测器送至近H 点距离为15〜30亿的轨道方 案，转移时间约为4.5〜13.3a .近年来中国也开展了太阳抵近探测任务的预先 研究.本文通过建立连续共振借力轨道和混合共振 借力轨道的优化设计模型，针对2025年至2028年 间发射，任务时长小于10年并最终转移至距太阳小 于10亿的太阳抵近探测任务，设计了通过金星共振 借力实现转移的轨道方案，得到混合共振借力轨道比 连续共振借力轨道更节省转移时间的结论.1轨道动力学基础深空探测器在太阳系内运动时会受到太阳和行星的引力，这是一个非线性多体系统.在轨道初步设 计阶段，为了简化计算，通常利用圆锥曲线拼接法设 计探测器飞行轨迹，认为探测器在行星引力影响球之 外时只受到太阳引力作用，其轨道为日心轨道；而运 行在行星引力影响球之内时，仅考虑此行星的引力， 探测器沿行星中心双曲线轨道运动间.考虑到探测器在日心飞行段的时间和空间都比 在行星附近飞行时大得多，因而在计算行星借力飞行 时，将行星借力飞行近似为探测器在H 心惯性系下获 得的一个瞬时速度增量，不考虑其位置变化，假设借 力瞬间完成，这种近似模型称为行星借力飞行等效脉 冲模型间.1.1借力飞行在借力飞行等效脉冲模型中，认为借力飞行瞬间 探测器的日心位置与借力行星的日心位置相同，并 且借力飞行前后探测器的H 心位置不变.探测器进 入与离开行星引力影响球时，相对于行星的速度分 别为双曲线进入剩余速度和双曲线离开剩余速 度 <，即W 二= v _-v p ，v -^=v + ~ Up.(1)式中，W 与…+分别为探测器借力前后的日心速度， %为借力飞行时行星的日心速度.借力飞行过程中， 如果探测器不进行主动轨道机动，其相对于行星沿双 曲线轨道运动，双曲线进入剩余速度与离开剩余速度 相等，即满足^〇〇 == I k ill -(2)311312Chin. J. Space Sci.空间科学学报2021,41(2)探测器借力飞行的轨迹如图1所示，根据双曲在该坐标系下，探测器的双曲线剩余速度可表示为 线几何关系，双曲线速度偏转角由下式确定：([J= 2 arcsin--—~.(3)M p+ruvio式中，rh为双曲线轨道近星点半径，叫为借力行星 的中心引力系数.为计算借力后探测器的日心速度，建立以借力行 星为中心的借力飞行坐标系如图2所示，坐标 系原点P选在借力行星中心，i轴沿双曲线进入剩 余速度方向,/c轴选取垂直于双曲线进入剩余速 度心与借力行星日心速度所决定的平面方向，j 轴与i轴和fc轴构成右手坐标系，三轴的单位矢童i，J’.fc分别表示为v t〇 =^(s i n5cos ipk+sin<5sin(pj +cos S i).(6)式中，p为在jA:平面上的投影与A•轴的夹角，取 值范围为[〇,2t t).由于借力飞行过程中探测器双曲线轨道的近星 点与行星表面距离不能小于安全高度/ipm in (事先设 定).相应地，J存在最大值<5max，即<5m ax= 2 arcsin—^P,---厂^.(7)"p+(*^p+"p m i n)U〇〇式中，&为借力行星的半径.对于无机动的借力飞行，已知双曲线进入剩余速 度通过设计借力高度~和借力角度a可以得 到借力后探测器的双曲线离开剩余速度w+.由于探 测器以速度离开借力行星时不一定能够到达下一个目标位置，通常需要在借力飞行前后施加速度脉 冲进行轨道修正.1.2共振借力对于能量要求高的深空探测任务.1次借力飞行 提供给探测器的能量有限.为更好地发挥借力飞行 效果，可以设计连续利用同一颗行星进行多次借力飞 行，其中将借力飞行设计为共振借力是便捷有效的方法之一.假设借力后探测器与借力行星的轨道周期比值 为# (共振轨道中周期比也称共振比)，则有l=N.(8)图1借力飞行双曲线轨道Fig. 1G ravity assist hyperbolic trajectory图2借力飞行坐标系Fig. 2 G ravity assist frame of reference 式中，r s与r p分别为探测器与借力行星轨道周期.将行星日心速度投影在借力飞行坐标系下，结合 式（6)可以得到借力后探测器的日心速度，即V p =V p aji+V p yJ.+(9)= ivpz 4- v〇〇 s i n S c o s(r p y + u〇〇 s i n(5 s i n w)j+(vP x+v〇〇cos6)i.(10)结合二体运动能量守恒关系，整理得到如下关系:—(1 - W2/3) - 2i;p：d cos(5 - ^其中.M为太阳中心引力常数，％为借力行星轨道半张佳文等：基于金星共振借力的太阳抵近探測任务轨道设计313长轴量为R ==\!vi^-1-v^y sin((/?6), 0 =arctan-^1.^Py(12)记作R=Q-(13)\/V l z+vly则有Q =sin((/?H-6).(14)因此，探测器借力后能够与借力行星形成共振轨道的 充要条件为{t〇, A t i,A v i x,A v i y,A v X z,r p i, iVi, • • •, 'j^^(n —l)x*l)y 5 ^^(n—l)z i ^*p(n—1) i / •N(n_i、，rpn，<p n J(17)式中，妃为地球出发时间；A h为地球出发至第一次 金星借力的转移时间；A%，分别为每次 共振借力前在速度三个方向施加的速度增量;r*pi为 借力高度；为第n次借力的偏转角度；况为共振借力要实现的共振比，具体形式为Ni = Tsi ： Tyenus = K i'.J i，(18)-1 彡 1.相应地.<P ={arcsin Q—0,sn —arcsinQ—9.J1，1；1—1，—1 彡Q彡0.(15)(16)观察式（l4),Q中含有借力角度A联系 式（11)〜(13)，Q的表达式中含有借力高度决定的 角度<5,因此在满足共振借力的充要条件下，这两个 角度中只要确定一个，另一个即可确定，这说明在设 计共振借力飞行时，给定共振比与借力高度（偏转角 度6随之确定)，借力角度v即随之确定.其中，Ts i为探测器轨道周期,r venus为金星轨道周期. 相应地，第U欠共振借力至第（i+ 1)次借力之间的 转移时间为A<(i+1) =Ki ■T venus- (19)根据前文分析，前（n- 1)次共振借力只需设计 借力高度与共振比即可完成，第n次非共振借力需 要通过借力高度与借力角度共同设计.在优化计算中.行星的位置由行星星历表得到，即P i=W{^P planet,i? ^i)*(20)其中，=亡0 +〉:A tj.(21)j-=i2轨道优化模型与方法在此模型的轨道设计中，希望得到低能耗转移轨 道，对应的优化目标为2.1连续共振借力轨道优化模型考虑连续共振借力（n- 1)次，最后一次非共振 借力的VnG A轨道模型⑵如图3所示.为了在共振借力后实现给定共振比，在每次共振 借力前施加速度脉冲Aw,修正轨道.对应的决策变m i n :/x(X)= C3=||V d e p - V e a r t h||2,(22) m i n :f2(X) = \/Avl +i=1 (23) Resonant orbit .Lambertd•一•Resonant orbitTime +A/1+A/2(/^l Tvenus )+厶'(，，-1、(尺("-2}厂v e n u s)(K(n~i)7\.e n图3连续共振借力轨道模型Fig. 3 Continuous resonant gravity assists trajectory model314Chin. J. Space Sci.空间科学学报2021,41(2)min:/3(X) =PT n=an(l-e n).(24)式中，V dep为探测器发射时的日心速度：v earth为发射时地球的日心速度;C3为地球发射能量;a…，e…，分别为最后一次借力后探测器轨道的半长轴、偏 心率和近H点距离.约束条件为^pi ^m in•(25)其中，rpmin为借力髙度约束.2.2混合共振借力轨道优化模型考虑共振借力与非共振借力交替，最后再补充1次非共振借力，其V”G A轨道模型如图4所示，其 中n为奇数，相应的轨道包含（n- 1)/2次共振借力 和（n+1)/2次非共振借力.同样地，对于共振借力，为了在借力后实现给定 共振比，每次借力前施加脉冲机动Aw,修正轨道.对 应的决策变量为而第H欠非共振借力（i为偶数)至第(i+1)次借力之 间的转移时间A~+1)需要通过设计给出，例如/^3, A亡5’…，这里借力飞行的设计方法与连续共振借力轨道 设计模型中相同，不同的是，需要通过求解Lambert 问题对非共振借力与下一次借力之间的轨道进行拼 接，为了匹配能量，需要在每一次非共振借力后施加 速度脉冲，其将与共振借力前施加的速度脉冲共同作 为优化目标.在仿真计算中，行星位置获取方法及约束条件与 连续共振借力轨道设计模型中相同，由于此模型希望 得到低能耗快速转移轨道，对应的优化目标在前者模 型的基础上，多出一个转移时间的目标函数，即nmin:f4{X) =y^A tj.(29)i=l2.3优化方法这里的优化计算采用差分进化算法（DifferentialX = {<〇,Aw lx,Auiy,^*p2)^21i^p(n—1)i^(n—1)5^p m}• (26)式中，M为地球出发时间；为地球出发至第1次 金星借力的转移时间；A〜，A r iy,分别为每次共振借力前在速度三个方向施加的速度脉冲;r pi为借力高度：为非共振借力的角度：况为共振借力 要实现的共振比，即Nt=Tsi：T ven u s= K i\J l.(27)其中，r st为探测器轨道周期，r venus为金星轨道周期. 相应的第i次共振借力（i为奇数）至第（i+1)次非 共振借力之间转移时间为A t(i+1) =A^Tvenus-(28)LambertResonant orbit+A/i+A/2E v o l u t i o n A l g o r i t h m. D E).此算法是基于群体的启发 式搜索算法，进化流程中包括变异、交叉和选择操作.D E算法采用浮点数矢量进行编码生成种群中的个 体，其寻优过程的步骤为：①从父代中选择2个个体进行矢量带权做差生成差分矢童，选择另一个体与差 分矢董求和生成实验个体，这一步为变异操作；②对 父代个体与实验个体进行交叉操作，生成新的子代个 体；③在父代个体与子代个体之间进行选择操作，将 符合要求的个体保留到下一代.由于D E算法新颖的变异操作，其在迭代初期具有较强的全局搜索能力，而在迭代后期具有较强的局 部搜索能力，相比其他同类方法具有待定参数少、不 易陷入局部最优且收敛速度快％的优点.在数值仿真中应用差分进化算法191时，由于决—:------------------------------------------------------►Time+A<3…+A V…Lambert Lambert書…_A(K] T venu s )i^(n~2) T'v e n u s)图4混合共振借力轨道模型Fig. 4 R esonant and non-resonant gravity assists combined trajectory model策变量X包含的变量个数Z较大，设置种群中个体 数量为5〇Z〜60/，最大迭代代数为1500丨〜2000Z;变 异操作权重设置为0.75,交叉率取为0.99.对于优 化模型中的多个优化目标，通过加权的方式进行处 理[1Q1.在连续共振借力轨道优化模型的仿真计算 中，优化函数设置为n—1____________________ F(X)=h C3 + k2Y,^v f x ++Avfz +i=lk3Prn-(30)混合共振借力轨道优化模型仿真计算中，优化函数设 置为71—1____________________________ F(X) =^03 + ^^2\/^l ++2=1nhPrn +k4y^yA tj.(31)i=\其中，h，fc2,fc3,A；4为权重系数，在D E算法执行过 程中取值如下：张佳文等：基于金星共振借力的太阳抵近探測任务轨道设计k\ = ^1000,、10，◦3〉^*3m a x;^3 ^^3 m ax •(32)k2 =1000,(33)ks=<，1000,‘ 1,Pm>Prnw’、Prn4Prnw(34)^1000,〉:>Tm a.x\A：4 =<i=ln(35) 1,〉:i ^^rnax*其中，c3max为仿真中设置的最大发射能量值，p r_为探测器最终抵达轨道的近日点距离最大值，Tm a x 为探测器最大转移时间.这样设置权重系数后，对不 符合轨道设计要求的解进行惩罚，进而自动舍弃.3数值仿真3.1任务分析从地球出发的探测器可以通过两种霍曼转移方 式直接转移至远日点在金星轨道处、近日点距离为 10凡的大椭圆轨道上，其消耗的能量非常大，具体 参数列于表1，转移轨道如图5所示.从表1中的数据可以看出，探测器直接转移消耗能量巨大，需借助行星引力降低发射能量和转移过程 中的燃料消耗.对于太阳抵近探测任务，探测器飞向 内太阳系，内行星的位置与轨道周期比外行星更适合 此任务.对比水星、金星和地球：水星的质量偏小，单 次借力对探测器轨道改变的能力较弱;金星质量略小 于地球，而轨道周期更短，对于多次借力的转移方案 更具有时间优势，因此选择金星作为借力天体.当探测器从地球出发，为了得到通过1次金星 借力可使其到达的轨道近日点距离与发射能量的关 系，在2025年的发射窗口内搜索V G A序列，得到的 优化结果如图6所示.由图6可以看到，若要探测器以可接受的发射 能量转移到近日点距离小于1〇凡的观测轨道上，1次金星借力远远不够.必须进行多次金星借力.接下 来分析并设计金星共振借力轨道.从单次金星借力V G A序列的计算结果可以得 到，当发射能量C3为150km2_S_2时，1次金星借力 后探测器的轨道近日点距离为33.7386亿，轨道半长 轴为0.7123av en u s (ave_为金星的轨道半长轴)，探315表1霍曼转移能量消耗Table 1 Hohmann transfer’s energyconsumption转移方式1转移方式2地球发射能量437.0768 6.2269C3/(k m2-s"2)A v2/(k m-s_1) 1.602125.556316C h in. J. Sp a ce S c i .空间科学学报2021,41(2)测器与金星轨道周期比为0.6012.而对于近日点距 离为10凡、远日点距离为l a venus 的轨道，其轨 道半长轴为〇.5314a venus，相应与金星轨道周期比 为 0.3882.如果将发射能量C 3约束在150km 2.S _2左右， 为了充分发挥金星借力的作用，在第一次借力后，限 制探测器与金星的轨道周期比不大于2:3 (0.6667); 而最后一次共振借力后探测器与金星周期比至少 为3:8 (0.375)，这样，最多需要补充1次借力飞行 探测器轨道的近日点距离即可降低至10艮以内.由于存在最小借力高度的约束，单次借力对探测 器轨道改变的程度有限，因此共振借力可实现的共 振比有限.在设计共振借力的共振比时，需同时考 虑借力时探测器的轨道能量以及此周期比对应的转 移时间是否合理.例如：探测器与金星的轨道周期 比为 2:3 (0.6667)时，二者飞行 2r v en u s (r v e n u s = 224.7d ,为金星公转周期）后即可相遇；当探测器与 金星周期比为5 :8 (0.625)时，二者需要飞行5 Tv e n u s 后才可以相遇.这两个例子中，虽然二者周期比值相fT 200 1 180 I160W0>| 140CU•g120c C OJ 1002628 3032 3436 38 4042 44 46Perigee radius//? s图6 V G A 地球发射能量与轨道近日点距离关系Fig. 6 Relationship between E a rth ’s launch energyand the o rb it’s perigee radius in VGAVGA近，但是所需飞行时间相差674d 左右.因此，为缩短 探测器的转移时间，在本文的仿真计算中，定义共振 比为尺：j (x : j = r s : r ven us ，r s 为探测器周期)，仅 考虑尺< 5的情况.综上分析，设计共振借力轨道时.考虑采用表2 中的共振比.3.2仿真结果根据以上分析，针对太阳抵近探测任务，组合共 振比，分别设计金星连续共振借力轨道与混合共振借 力轨道.对2025年至2028年间采用不同飞行序列 飞向太阳的发射机会进行搜索.结合未来运载火箭 可能的发射能力，假设从地球出发时运载火箭可为探 测器提供的发射能量C 3最多为160km 2，S_2,目标轨 道为近日点距离小于10尾的日心椭圆轨道，约束任 务时间在10年以内.3.2.1连续共振借力轨道结果设计采用5次连续共振借力的V 6G A 轨道序列， 将不同共振比飞行序列得到的优化结果列于表3.表3中共振比序列为2 : 3, 4 : 7, 1 : 2, 4 : 9. 3 : 7 的轨道方案详细参数列于表4,轨道迹线如图7所示. 3.2.2混合共振借力轨道结果根据前文分析以及表3中的结果可以看出，共振 借力的共振比值直接决定了连续共振借力轨道方表2轨道设计中考虑的共振比T a b le 2R e s o n a n c e ra tio c o n s id e re din tr a j e c t o r y d e sig n共振比共振比（r s :7；enus)0.7 〜0.62 3 (0.6667)，3:5 (0.6)0.6 〜0.547 (0.5714), 1:2 (0.5)0.5 〜0.449 (0.4444), 3:7 (0.4286), 2:5(0.4)0.4 〜0.338 (0.375)表3V 6G A 优化结果T a b le 3O p tim a l tr a je c to r ie s o f V 6G A共振比序列发射时间(UTC)发射能量C V (km 2.s-2)速度增量/(k m -s -1)近日点距离转移时间/a3:5, 4:7, 1:2, 4:9, 3:72026-08-08159.42940.82989.99289.34682:3, 4:7, 1 : 2, 4:9, 3:72026-08-06159.98950.40539.90978.75893:5, 4:7, 1 :2, 4:9, 2:52028-03-17159.9828 1.53338.78228.75742:3, 4:7, 1:2, 4:9, 2:52026-08-12145.82311.68958.86658.1379张佳文等：基于金星共振借力的太阳抵近探測任务轨道设计317日期速度增飞越 ______________________________借力后_____________________________(UTC) tt/f k m -s -1) 高度/k m半长轴/a venus周期/d 近日点距离/凡1金星2026-09-280.08854755.24900.7631149.8001 (2:3)34.70822金星2027-12-220.08531453.43540.6886128.3999 (4 : 7)26.85223金星2030-06-080.07581074.53210.6300112.3497 (1:2)20.18914金星2031-01-180.0883211.84210.582499.8663 (4 :9)14.46975金星2033-07-050.06721072.83960.568496.2996 (3:7)12.79316金星2035-05-10306.41520.544590.28369.9097表5V 7G A 优化结果T able 5O p tim al tr a je c to r ie s o f V 7G A共振比序列发射时间(UTC)发射能量C 3/(k m 2s -2)速度增量/(k m -s -1)近日点距离/Rs转移时间/a3:5, H, 1 :2, H, 3:7, H 2028-03-20159.99480.10879.99957.46952:3, H , 1 ：2, H , 3:7, H 2026-08-03156.06020.00399.4716 6.24363:5, H, 1 ：2, H, 2:5, H 2028-03-18159.9939 2.12519.2655 6.23332:3, H, 1:2, H, 2:5, H2028-03-19159.99292.04549.28445.6176案的转移时间.而V ^G A 轨道序列中含有共振比 为4 : 7与4 : 9的共振借力，对应的借力后的轨道段 需要4 r venus 的转移时间，如果将需要较长转移时间 的共振借力设计为非共振借力，则有希望获得总转移 时间相对更短的轨道方案.因此，改进V6G A 序列方 案，将共振比为4 : 7和4 : 9的共振借力替换成非共 振借力，并在第6次非共振借力后再补充1次金星 借力.设计为混合共振借力的V 7G A 序列.得到的优 化结果见表5,其中H 代表轨道中的非共振借力（除Fig. 7 Trajectory of V6GA 2:3, 4:7, 1:2, 4:9, 3:7最后一次借力外).将表5中借力序列为2 : 3, H , 1 : 2, H . 3 : 7, H 的轨道方案参数列于表6,其轨道迹线如图8所示. 3.2.3结果分析对比表3与表5中各方案的转移时间可以看到， 相比连续共振借力轨道模型的V6G A 轨道方案，混 合共振借力轨道模型的V7G A 轨道方案转移时间更 短，这是将转移时间长、共振比为4 : 7和4 :9的共 振借力替换为非共振借力的结果.图 8 V 7GA 2:3, H ，1:2, H ，3:7, H 轨道Fig. 8 Trajectory of V 7GA 2 :3, H, 1 ： 2, H, 3 : 7, H表4V 6G A 序列2:3, 4:7, 1:2, 4:9, 3:7的轨道详细参数T ab le 4D e ta ile d tra jecto ry p a ra m eters o f V 6G A 2:3, 4:7, 1.2, 4:9, 3:7力星借行力数借次318Chin. J. Space Sci .空间科学学报 2021,41(2)0,2:3/3:5H 1:2 H 3:7/2:5Gravity assist sequence图10 V 7G A 中每次借力所需速度增量曲线Fig. 10 Delta-v needed of each gravityassist in V7GAGravity assist sequence图9 V 6G A 中每次借力所需速度增量曲线Fig. 9 Delta-v needed of each gravityassist in V6GA反而升高；并且在两种轨道模型中，前两个方案的速 度增量都比后两个方案的小.该现象主要是由共振比不同导致的，见图9和图10各转移方案中每次借 力施加的速度增M 曲线.在图9和图10中，绿色、蓝色线分别代表前两个 方案，红色、青蓝色线分别代表后两个方案.从曲线 的变化趋势可以看出，两种轨道模型中.后两种方案 均在第5次借力前施加较大的速度增量，占整段轨道 转移中所需速度增t t 的主要部分.这主要是因为后两 个方案中第5次借力后的共振比为2 : 5 (0.4)，比前两 个方案中第5次借力后的共振比3 : 7 (0.4286)小，相 应地.探测器在借力后的轨道能M 低，而单次金星借 力降低探测器轨道能量的能力有限，因此需要探测器 自身施加额外的机动能量降低探测器的能量.因此, 共振比不同导致转移方案需要的速度增量存在差异.此外，对比图9和图10中的同色曲线可以看出， 用非共振借力替代共振比为4 : 7和4 : 9共振借力后：前两个方案第2, 3, 4, 5次借力所需速度增量都 有明显降低；后两个方案第2, 3, 4次借力所需速度 增请几乎不变，保持较低数值，第5次借力所需速度增键明显升高.分析出现这个现象的可能原因：前两个方案中, 在第5次借力前.即将探测器与金星的周期比降为 3 :7之前，探测器在同一位置以4:7, 1 :2, 4:9的共 振比序列降低能量，未能充分利用金星借力改变轨表 6 V 7G A 2:3, H , 1:2, H , 3:7, H 轨道详细参数T ab le 6D e ta ile d tr a je c to r y p aram eters o f V 7G A 2:3, H , 1 ：2, H , 3:7, H借力次数行星日期(UTC)速度增飞越高度/km半长轴/a venus借力后 周期/d近日点距离/凡1金星2026-09-2704289.04150.7631149.7971 (2:3)35.19582金星2027-12-200.00181885.47610.6958130.401727.42633金星2028-07-050605.11090.6300112.3478 (1 :2)19.85504金星2029-02-140.00072116.44630.5915102.222815.46325金星2029-10-1003962.32550.568496.2982 (3 ： 7)12.90366金星2031-08-150.00144506.37180.552292.213011.14127金星2032-10-312000.536488.28219.4716对比表3与表5中各方案所需速度增量可以发 现.将部分共振借力替换为非共振借力且增加1次非 共振借力后,前两个转移方案所需速度增M 大小有所 降低，而后两个方案所需速度增量大小非但没有降低--3:5, H, 1:2, H, 3:7, H2:3, H, 1:2,H, 3:7,H --3:5, H, 1:2, H, 2:5, H2:3, H, 1:2, H, 2:5, H--3:5,4:7, 1:2,4:9,3:72:3,4:7, 1:2,4:9, 3:7 3:5,4:7, 1:2,4:9,2:5 2:3,4:7, 1:2,4:9,2:5;• J ) /&V道能量，而调整共振比为4 : 7和4 :9的共振借力为 非共振借力后.优化得到了更加合适的借力方位与能 量降低顺序.金星的借力效果得到充分利用，降低了 速度增量需求;对于后两个方案，在第5次借力前，即 将探测器与金星的周期比降低为2:5之前,探测器 在同一位置以4 : 7, 1 : 2, 4 :9这样的共振比序列降 低轨道能M 比较合理，调整共振比为4 : 7和4 : 9的 共振借力为非共振借力后反而破坏了合适的借力方 位，并且导致在第5次借力前需要更多的机动能量 来调整轨道.结合上述分析可以看出：相比连续共振借力轨 道模型的V 6G A 轨道方案，混合共振借力轨道模型 的V 7G A 轨道方案转移时间更短，而对于地球发射 能量C 3与中途变轨所需速度增童的改变没有普遍 规律，中途变轨所需速度增量主要与借力序列中共振 比数值有关，对于一些共振比序列的轨道，混合共振 借力轨道可降低能量需求，而对于其他一些轨道，反 而需要消耗更多的能t t .4结论针对太阳抵近探测任务，提出利用金星多次共振借力的轨道设计方法，建立了连续共振借力轨道 与混合共振借力轨道优化设计模型，并针对2025年 至2028年的发射窗口，分别设计了连续共振借力的V 6G A 以及混合共振借力的V 7G A 轨道方案.研 究结论如下.(1) 太阳抵近探测任务中.多次金星借力可以降 低发射能量和转移途中变轨的燃料消耗.(2) 2〇25—2〇28年期间，在发射能量C 3不超过160km 2.s -2,转移时间不超过10年，最终轨道近 日点距离小于10亿的约束下，两种轨道方案的最优 序列分别为：2 :3, 4 : 7, 1:2, 4 :9, 3 :7 (V ®GA ，2026 年)；2 :3, H ，1 :2, H ，3 : 7, H (V 7GA ，2026 年).(3) 2026 年 8 月 3 日发射的 V7GA 2 : 3, H , 1 :2, H ，3:7, H 轨道方案，探测器以156.06〇2km 2.s -2 的发射能董从地球出发，先后经过7次金星 借力，途中几乎不消耗变轨燃料（变轨速度增量 为0.0039km .s -1),飞行6.2476a 后，转移至近日点 距离为9.4716凡、周期为88.2821 d 的观测轨道上.张佳文等：基于金星共振借乃的太阳抵近探測任务轨道设计(4)相比连续共振借力轨道，混合共振借力轨道 可有效缩短太阳抵近探测任务的轨道转移时间，而对于地球发射能量C 3与中途变轨所需速度增量的改变 没有普遍规律.这与序列中的共振比有关.参考文献[1] GALEEV A A, VAISBERG O L, ZAKHAROV A V, et al.Project Ziolkovsky-Solar Probe mission concept [J]. Adv.Space Res., 1996, 17(3): 13-20[2] TSURUTANI B T, VAISBERG O L. The Solar Probe mis­sion and comments on plasma wave observations [CJ//AIP Conference Proceeding. New York: AIP Press, 1996: 255[3] GUO Y. Trajectory design of Solar Probe+ using mul­tiple Venus gravity assists [CJ//AIAA/AAS Astrodyna- mics Specialist Conference and Exhibit. Honolulu, Ha­waii: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2008: 3029-3039[4] SUKHANOV A A. Close approach to Sun using gravity assists of the inner planets [J]. Acta Astron., 1999, 45: 177- 185[5] QIAO Dong. Study of Transfer Trajectory Design Method for Deep Space Exploration and Application to Small Body Exploration [D]. Harbin: Harbin Institute of Tech- nology, 2007 (乔栋.深空探测转移轨道设计方法研究及在小天 体探测中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007)[6] LI Junfeng, BAOYIN Hexi, JIANG Fanghua. Dynamics and Control of Interplanetary Flight [M]. Beijing: Ts-inghua University Press, 2〇14: 110-127 (李俊峰，宝音贺西， 蒋方华.深空探测动力学与控制[M ].北京：清华大学出版社，2014:110-127)[7] YUAN Jianping, ZHAO Yushan, TANG Geshi, et al. Spa­cecraft Deep Space Flight Trajectory Design [M]. Beijing: China Astronautic Publishing House, 2014: 59-76 (袁建平，赵育善，唐歌实，等.航天器深空飞行轨道设计[M ].北京：中国宇航出版社，2014:59-76)[8] HU Zhongbo. The Study of Differential Evolution Algo­rithm for the Function Optimization [D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2006 (胡中波•差分演化券法及其在函数优化中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2006)[9] Differential evolution (DE) for continuous function op­timization (an algorithm by Kenneth Price and Rai­ner Storn) [OL]. [2019-10-10] http://wwwl.icsi.berkeley. edu/〜storn/code.html#tevc[10] LI Xiaoyu. Design and Optimization of Deep Space Tra­jectory on the Initial Design Stage [D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2012 (李小玉.深空探测轨 道的初始方案设计与优化[D].北京：中国科学院大学，2012)319。

【预设学生回答】学生1：通过查阅资料我了解到：古代人类是利用肉眼进行观测火星。

因此只能观测到火星是一颗红色的星球。

因其亮度常有变化，而且在天空中运动，有时从西向东，有时又从东向西，情况复杂，令人迷惑，我国古代称其为“荧惑”。

学生2：17世纪初，人类历史上第一次通过望远镜观察火星，望远镜观测比肉眼观测更清晰，但当时的设备条件有限，伽利略看到的仅是一个红色的小点，并不能看清较多细节。

随着望远镜的逐步改善，科学家们观察到一些明暗特征，试图开始为火星绘制地图。

学生3：有记载的火星地图最早是由1659年由克里斯蒂安·惠更斯制作的火星地图。

他利用火星特征的运动测算出了火星的旋转周期。

学生4：1666年乔凡尼·多美尼克·卡西尼完善了惠更斯的数据，提出了“火星日”，即火星旋转一周所用的时间，它只与现状被人们接收的24小时39分相差3分钟。

而且他还发现了火星南极有个亮斑，这个亮斑后来被证实是火星南极的极地冰盖。

学生5：1831年德国天文学家贝尔和梅德勒绘制的带网格的火星地图。

学生6：1890年意大利的天文学家斯基亚帕雷利综合了当时观测火星的各家说，绘制了地图，并提出火星上有河流及峡谷的猜想。

（3）谈话：（按时间顺序整体的呈现）这组同学搜集到的资料很全面，并通过分析整理后按顺序向大家很清晰的进行了介绍，值得我们学习。

通过同学们的介绍我们了解到人类认识火星经历了漫长的岁月，随着科技水平的不断进步，人类对火星的也越来越了解。

其实认识任何事物也都需要一定过程，我们要以发展的眼光看问题，进而才能不断发现、不断进步。

（4）提问：利用肉眼、望远镜观察，人类对火星有了一定的了解，同时也提出了不同猜想以及各种疑问。

怎样才能解决这些问题呢？【预设学生回答】学生：用肉眼、望远镜观测是远距离观察，因此想要更深入的了解的1．认识火星探测器谈话：就像同学们所说的，随着科技的发展，人类对火星的探索也不局限于用肉眼、望远镜来进行观测。

金星节点工程绕行方案一、前言随着航天技术的不断进步，人类对于探索宇宙的热情也愈发高涨。

金星，作为太阳系中与地球最接近的行星，一直以来都备受人类的关注。

自20世纪中期以来，多国航天机构都曾计划进行金星探测任务，以期能够更加全面地了解这颗神秘的行星。

而在这些探测任务规划中，金星节点工程的绕行方案就显得尤为重要。

在这篇文章中，我们将根据现有的技术条件和科学理论，为金星节点工程规划一份合理的绕行方案。

二、金星节点工程概述金星节点工程是指一系列探测任务的集合，旨在对金星进行全方位的探测和研究。

这个工程包括了轨道器、着陆器和飞行器等多个探测器件，通过这些探测器件，科学家们可以对金星的大气、地貌、磁场等方面进行详细的观测和研究。

金星节点工程的绕行方案，就是这些探测器件在太空中的行进路线，其合理性和精确性对于整个工程的成功至关重要。

三、绕行方案的制定原则在制定金星节点工程的绕行方案时，必须要遵循一些基本原则，以确保这个方案的科学性和可行性。

1. 安全原则金星节点工程需要克服众多的技术难题，在绕行方案的制定中，必须要确保探测器件在飞行中不会受到任何的危险。

这意味着绕行方案必须要避开可能对探测器件造成损害的区域，比如金星的高温大气层、辐射带等。

2. 经济原则金星节点工程需要耗费大量的人力物力，因此绕行方案必须要确保在保证探测目标的情况下，尽量节约资源，减少成本。

3.科学原则金星节点工程的最终目的是为了获取更多的科学数据，因此绕行方案必须要确保探测器件可以尽可能地接近金星表面，同时也要能够在各个位置都能够获取到有意义的数据。

4. 可操作性原则金星节点工程的绕行方案必须要考虑到操作人员的实际操作能力和探测器件的性能特点，保证这个方案的可操作性。

基于以上原则，我们可以对金星节点工程的绕行方案做出如下制定：四、绕行方案的具体制定1. 探测器件的选择金星节点工程的探测器件必须要包括轨道器、着陆器和飞行器等多种类型。

轨道器主要用于对金星大气和地表进行远距离观测，着陆器主要用于对金星地表进行近距离观测，而飞行器则可以在它们之间进行机动，以实现全方位的探测。

金星为什么难以探测
一、金星没有磁场。

由于太阳系八大行星中金星与地球平行，其引力不同于其他行星，大部分伴随金星运行的小行星实际无法引起金星发射磁场，从而使得金星缺少磁场作为探测媒介，这也是太阳系中惟一没有磁场的行星。

二、金星位于太阳旁边。

太阳的光芒带来如此洪流的能量，使得探测到金星的信息完全被遮挡，无法做到准确及及时的科考，并且太阳的强烈光芒会影响到信号的传播，从而降低了科技设备的探测效果。

三、金星的天空比较暗淡。

对比太阳那亮光照射出的万千繁星，金星暗沉的星空里几乎感受不到任何星光，太阳大部分遮挡了金星，使得金星无法在比较短的时间内反射回足够的光强，运用太阳照明进行科考变得不实际。

四、金星距离太远，探测门槛较高。

从几百万公里的地球到金星距离太远，以浩瀚的太空和时间证明，从火星开始往外探测，探测距离愈发遥远的行星，所需的科技准备便愈加复杂多样。

五、太阳的影响使金星更艰难。

太阳会发出一些极耀和日射线，这些能量会穿过金星，形成强大的负压能量，冲击金星表面，使得金星中总会形成大片云层，使得探测金星大气层结构变成一件难事，也就难以行研究。

浙教版七上科学§3.2太阳系的组成与结构教学设计课题 3.2太阳系的组成与结构单元三学科科学年级七上教材分析本课时为新浙教版七上第三章第1节《太阳的组成与结构》的第3课时内容，主要内容为行星及其卫星。

太阳系的行星包括八颗大行星、矮行星及小行星，有些行星有卫星；行星是恒星系中的不发光球体，卫星是行星系中的不发光球体，它们都能反射恒星的光而被观察到。

太阳系中八大行星的绕日运动都是有规律可循的；了解行星等天体的运动，为后续学习的自转和公转等知识点的学习，打下基础；也为宇宙结构层次的学习作也铺垫，所以本课时的学习是非常重要和必要的。

学习目标科学观念：了解八大行星的主要特点；了解矮行星、小行星、卫星、彗星、陨星等小天体的主要点；了解地球能蕴育生命的基本条件；科学思维：建构由太阳和围绕它运动的行星、小行星和彗星等小天体组成的太阳系模型；探究实践：通过阅读、图片、视频等方式了解八大行星及其他小天体的主要特点；态度责任：认识到收集、整理资料并进行交流、合作是一种的科学学习方式；意识到太阳系中天体的运动有规律，是可以逐渐被人们认识的。

重点八大行星和其他小天体的主要特点；难点行星及其卫星教学环节教师活动设计意图导入新课1、太阳黑子是太阳表面的区域；2、太阳黑子出现在太阳大气的层，耀斑和日珥出现在太阳大气的层；3、八大行星中离太阳最近的是，离太阳最远的是。

4、八大行星中，与地球相邻最近的两颗大行星是；导入新课讲授新课清晨，太阳即将升起前，东边天空中总会出现一颗亮星；而傍晚太阳落山后，也常会出现在西边天空中，你知道这是什么星吗？在我国古代，清晨从东方升起的那颗亮星被称为启明星，而在傍晚出现在西方的那颗亮星被称为长庚星。

这两颗星的亮度非常高，比夜空中的任何一颗星星看起来都要更加明亮。

事实上，启明星和长庚星并非是两颗星，而是出现在不同天区的同一颗星……金星。

金星是太阳系的八大行星中距地球最近的行星，肉眼就可观察到。