This paper presents a methodology for optimizing a low-thrust gravity assist trajectory to achieve the Earth-Moon L1 periodic orbit, leveraging the resonance-orbital structure as a guiding framework. The formulation employed in this study utilizes the Earth-Moon circular restricted three-body problem to describe the system’s dynamics. The proposed optimization procedure involves the determination of the gravity-assist geometry and the subsequent identification of the gravity-assist linking through the solution of a multiple-point boundary value problem. The periapsis rotation angle is designed by solving a gradient descent optimization problem in the gravity-assist geometry determination step. This process results in trajectories that intentionally deviate from the symmetry observed in resonance orbits. The multiple-point boundary value problem focuses on resolving a minimum-fuel challenge by connecting two intermediate resonance-like orbits characterized by rotated periapses. The optimal control problem unfolds in two steps. Firstly, a relatively straightforward two-point boundary problem, serving as an approximation to the original problem, is established and solved. The solution obtained from this step serves as the initial guess for the subsequent and more intricate multiple-point boundary value problem. To assess the efficacy of the proposed methodology, the low-thrust resonance gravity-assist trajectory is compared against trajectories designed using conventional approaches involving low-thrust propulsion. This comparative analysis aims to validate and highlight the efficiency of the proposed method in optimizing trajectories for space missions within the Earth-Moon system. The proposed methodology converged to a fuel-optimal solution that is 40% more efficient than the previous research. In addition to the LTRGA trajectory, possible extended missions to the Low-Lunar Orbit (LLO), and hyperbolic escape trajectory from Earth is discussed.
이 논문은 지구-달 시스템의 L1 주기궤도에 위성 투입을 위한 공명궤도 기반 저추력 다중 중력 스윙바이 달 탐사 궤적을 소개한다. 지구-달 원주제한삼체문제를 기반하여 궤적을 설계 및 최적화 하였다.저추력 다중 중력 스윙바이는 중력 스윙바이 최적 기하를 계산하는 문제와 다중점 경계값 최적화 문제를 기반으로 설계된다. 최적 기하 결정 단계는 그래디언트 감소 최적화 문제를 활용하여 근지점을 회전시키며 공명궤도의 대칭성을 깨트려 중력 스윙바이 궤적의 성능을 이끌어낸다. 다음, 최적의 중력 스윙바이 기하를 초기와 말기 경계값으로 사용하여 두 공명궤도를 연결하는 최소 연료 문제를 풀게된다. 최적 제어 문제의 첫 번째 단계는 원래 문제를 근사화한 상대적으로 쉬운 두 점 경계값 문제를 사용한다. 저추력 공명궤도 기반 궤도는 다양한 L1 주기궤도 전이방법론과 비교되었다. 현재 알려져있는 최소연료 최저값보다 약 40% 의 추진제를 절약하는 궤도를 찾을 수 있었다.