شماره ركورد
34720
پديد آورنده
ارغوان كمالي
عنوان
تحليل و طراحي مسيرهاي انتقال بهينه در مسئلهي سه جسم محدود شدهي دايروي با بهرهگيري از منيفولدهاي انرژي پايدار و ناپايدار
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي فناوري ماهواره/ساخت و مكانيك پرواز
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/10/24
استاد راهنما
دكتر مجيد بختياري
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
فناوري هاي نوين
چكيده
با توجه به رشد فزايندهي علاقهمندي آژانسهاي فضايي به بهرهبرداري از اعماق فضا و پتانسيل بالاي اين نواحي در تحقق مأموريتهاي بلندمدت، اين پژوهش به بررسي طراحي مسيرهاي انتقال بهينه براي استقرار فضاپيماها در نواحي مناسب جهت تصويربرداري و برقراري ارتباطات پايدار ميپردازد. نقاط لاگرانژي در چارچوب مسئلهي سهجسمي محدودشدهي دايروي و نواحي پيراموني آنها، به دليل ويژگيهاي ديناميكي منحصربهفرد، بهعنوان گزينههايي مطلوب براي چنين مأموريتهايي شناخته ميشوند. با اين حال، استقرار مستقيم فضاپيما در اين نقاط معمولاً با چالشهايي همچون محدوديت شديد مصرف سوخت همراه است. اين پاياننامه بهمنظور رفع اين چالش، دو گام اساسي را دنبال ميكند.
در گام نخست، با توجه به حساسيت بالاي ديناميك سيستم نسبت به شرايط اوليه، ابتدا با استفاده از نگاشت پوانكاره، مدارهاي متناوب پيرامون نقاط لاگرانژي شناسايي شده و با بهكارگيري الگوريتم اصلاح ديفرانسيلي، شرايط اوليهي دقيق اين مدارها استخراج ميگردد.
در گام دوم، منيفولدهاي پايدار و ناپايدار متناظر با اين مدارها بر اساس تحليل ماتريس مونودرومي و مقادير ويژهي آن محاسبه ميشوند. اين منيفولدها كه در واقع مسيرهاي ذاتي سيستم در فضاي فاز بهشمار ميآيند، ساختار ديناميكي مسئله را تعيين كرده و امكان طراحي مسيرهاي انتقال كمانرژي را فراهم ميسازند. از تقاطع منيفولد ناپايدار مدار مبدأ با منيفولد پايدار مدار مقصد براي استخراج مسيرهاي اوليهي انتقال استفاده ميشود. سپس، با در نظر گرفتن اهميت موقعيتهاي آغاز و پايان مأموريت و بهمنظور شناسايي بهينهترين نقطهي تقاطع منيفولدها، الگوريتم فراابتكاري تركيبي ازدحام ذرات و علفهاي هرز مهاجم بهكار گرفته ميشود تا مسيرهاي انتقال با حداقل مصرف سوخت طراحي شوند.
نتايج شبيهسازيها نشان ميدهد كه روش پيشنهادي عملكردي كارآمد در طراحي مسيرهاي انتقال كمانرژي با بهرهوري بالاي سوخت دارد و ميتواند در برنامهريزي مأموريتهاي فضايي آينده، بهويژه در نواحي مجاور نقاط لاگرانژي، نقش مؤثري ايفا كند.
واژههاي كليدي: طراحي مسير، مسئلهي سه جسم محدودشدهي دايروي، نگاشت پوانكاره، مدارهاي متناوب، نقاط لاگرانژي، منيفولد، الگوريتم فراابتكاري تركيبي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/08
عنوان به انگليسي
Analysis and design of optimal trajectories in the restricted three-body problem using stable and unstable invariant manifolds
تاريخ بهره برداري
1/14/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
ارغوان كمالي
چكيده به لاتين
Given the growing interest of space agencies in the exploration and utilization of deep space, and the considerable potential of these regions for enabling long-duration missions, this research investigates the design of optimal transfer trajectories for deploying spacecraft in dynamically favorable zones suitable for imaging and establishing stable communications. Lagrange points within the framework of the Circular Restricted Three-Body Problem (CR3BP), along with their surrounding regions, are recognized as promising candidates for such missions due to their unique dynamical properties. However, direct insertion of spacecraft into these points is typically accompanied by significant challenges, particularly severe fuel consumption constraints. To address this issue, the present thesis follows a two-step methodology. In the first step, considering the high sensitivity of the system’s dynamics to initial conditions, periodic orbits around the Lagrange points are identified using Poincaré mapping. The precise initial conditions of these orbits are then extracted through the application of a differential correction algorithm. In the second step, the stable and unstable manifolds associated with these periodic orbits are computed based on the analysis of the monodromy matrix and its eigenvalues. These manifolds, which represent the intrinsic pathways of the system in phase space, define the dynamical structure of the problem and enable the design of low-energy transfer trajectories. Initial transfer paths are extracted from the intersection of the unstable manifold of the departure orbit with the stable manifold of the destination orbit. Subsequently, in order to determine the most optimal intersection point,taking into account the significance of the mission’s departure and arrival locations—a hybrid metaheuristic algorithm combining Particle Swarm Optimization (PSO) and Invasive Weed Optimization (IWO) is employed to design transfer trajectories with minimal fuel consumption. Simulation results demonstrate that the proposed method performs efficiently in designing low-energy transfer paths with high fuel efficiency, and can play a significant role in the planning of future space missions, particularly in regions adjacent to Lagrange points.
Keywords: trajectory design, Circular Restricted Three-Body Problem, Poincaré mapping, periodic orbits, Lagrange points, manifolds, hybrid metaheuristic algorithm
كليدواژه هاي فارسي
طراحي مسير , مسئلهي سه جسم محدودشدهي دايروي , نگاشت پوانكاره , نقاط لاگرانژي , مدارهاي متناوب , منيفولد , الگوريتم فراابتكاري تركيبي
كليدواژه هاي لاتين
trajectory design , Circular Restricted Three-Body Problem , Poincaré mapping , periodic orbits , Lagrange points , hybrid metaheuristic algorithm , manifolds
Author
Arghavan Kamali
SuperVisor
dr. Majid Bakhtiari