基本介紹
- 中文名：國際空間軌道設計大賽
- 外文名：The Global Trajectory Optimisation Competition
- 發起單位：歐洲航天局(ESA)
- 發起時間：2005
基本介紹,歷屆賽事,其他信息,
基本介紹
國際空間軌道設計大賽（The Global Trajectory Optimisation Competition，縮寫為GTOC）是由歐洲航天局(ESA)於2005年發起的一項國際性賽事，旨在促進深空探測科學與技術發展，探索新型軌道設計理念與方法。該賽事每隔一到兩年舉辦一次，是世界航天領域的高水平、專業性競賽，代表了軌道設計領域的最高研究水平，號稱航天界的“奧林匹克”。每屆比賽一般持續28天，期間，全世界最優秀的航天工程師和數學家將一起挑戰“幾乎不可能”的空間軌道設計問題。
每屆比賽的冠軍將成為下屆比賽的主辦方，主辦方負責發布賽事題目並制定比賽規則。一般而言，比賽題目需要與行星際軌跡設計相關，還要足夠複雜以確保具有明顯的區分度。歷屆比賽的題目及其解決方案，成為了科學界一筆寶貴的財富。
歷屆賽事
歷屆賽事統計
屆數 | 年份 | 主辦方 | 賽事主題 | 奪冠隊伍 |
|---|---|---|---|---|
1 | 2005 | 歐洲航天局(ESA) | Save the Earth | 美國噴氣推進實驗室(JPL) |
2 | 2006 | 美國噴氣推進實驗室(JPL) | Multiple Asteroid Randezvous | |
3 | 2007 | Multiple Sample Return | 法國空間研究中心(CNES) | |
4 | 2009 | 法國空間研究中心(CNES) | Asteriods billiard | |
5 | 2010 | Penetrators | 美國噴氣推進實驗室(JPL) | |
6 | 2012 | 美國噴氣推進實驗室(JPL) | Global mapping of galilean moons | |
7 | 2014 | Multi-spacecraft exploration of the asteroid belt | 美國噴氣推進實驗室(JPL) | |
8 | 2015 | 美國噴氣推進實驗室(JPL) | Very-Long-Baseline Interferometry | 歐洲航天局(ESA) |
9 | 2017 | 歐洲航天局(ESA) | The Kessler Run | 美國噴氣推進實驗室(JPL) |
10 | 2019 | 美國噴氣推進實驗室(JPL) | Settler of the Galaxy | |
11 | 2021 | “Dyson Sphere” Building |
第一屆國際空間軌道設計大賽
第一屆國際軌道空間競賽(GTOC 1)由歐洲航天局(ESA)先進概念研究組的Dario Izzo發起。題目於2005年11月7日發布。
要求設計一個小行星撞擊任務，一個配備了小推力引擎的動能衝擊器被發射升空，用於改變目標小行星的軌道。要最佳化的量與轉移到小行星的動量有關。
由Anastassios Petropoulos領導的美國噴氣推進實驗室(JPL)團隊獲得冠軍，他們利用土星飛越來翻轉軌道角動量，並在一個與小行星相交的雙曲線軌道上與之迎頭碰撞。
JPL的冠軍軌跡刻在了GTOC獎盃上。
問題的靈感來源於歐洲航天局的Don Quijote任務。
第二屆國際空間軌道設計大賽
第二屆國際空間軌道設計大賽(GTOC 2)由JPL外行星任務分析小組(Outer Planets Mission Analysis Group)的Anastassios Petropoulos負責組織，題目於2006年12月7日發布。
題目將7075顆小行星分成4組，小推力太空飛行器必須訪問每組的一顆小行星，並持續至少30天。 目標函式是太空飛行器剩餘質量與總任務時間之比。
由Lorenzo Casalino和Guido Colasurdo領導的來自義大利都靈理工大學的團隊奪得冠軍。他們的軌跡是由“手動”設計出來的（其小行星訪問序列並不是任何算法得出的）。
本屆賽事的問題靈感來源於JPL的“黎明號”探測器，它與灶神星和穀神星進行了交會。
第三屆國際空間軌道設計大賽
第三屆國際空間軌道設計大賽(GTOC 3)由都靈理工大學能源系的Lorenzo Casalino負責組織，題目於2007年11月12日發布。
題目為小行星採樣返回任務，要求從地球發射飛行器方位140顆小行星中的任意3顆，允許進行地球引力輔助。目標函式是太空飛行器剩餘質量與總任務時間之比，再乘上一項與小行星停留時間有關的係數。
由Regís Bertrand帶領的法國空間研究中心團隊獲得了冠軍。他們進行了4次地球引力輔助。
有趣的是，本屆比賽前四的隊伍都選擇了同樣的小行星訪問序列，只是他們飛越地球的位置和次數不同。前幾名隊伍的目標函式值非常接近。
第四屆國際空間軌道設計大賽
第四屆國際空間軌道設計大賽(GTOC 4)由法國空間研究中心的Regís Bertrand負責組織，題目於2009年3月2日發布。
題目要求利用一個太空飛行器儘可能多地訪問近地小行星(NEA),並通過快速連續飛越來最終與一顆近地小行星交會。目標函式是訪問過的小行星數量，為避免平局，設定的第二指標為飛行器剩餘質量和總飛行時間。
由Ilia S. Grigoriev帶領的莫斯科國立大學團隊獲得了冠軍，他們在10年內訪問了44顆小行星。
在本屆比賽之前，研究人員對於一次小推力行星際任務能訪問多少小行星有不同看法。在10年內訪問44顆小行星對於科學界是一個有益的驚喜。排名第二的方案來自美國宇航公司(The Aerospace Corporation)，他們也訪問了44顆小行星，但是其第二指標（質量）較低。
第五屆國際空間軌道設計大賽
第五屆國際空間軌道設計大賽(GTOC 5)由莫斯科國立大學的Ilia S. Grigoriev和Maxim P. Zapletin負責組織，題目於2010年10月4日發布。
題目要求飛行器通過近距離飛越小行星釋放出儘量多的侵徹探測器。必須先與小行星交會並釋放有效載荷，然後才能在後續飛越中部署探測器。目標函式是成功部署的侵徹探測器數量，如果部署到了Beletskij小行星能獲得額外加分。為避免平局，第二指標是飛行器剩餘質量和總飛行時間。
由Anastassios Petropoulos帶領的JPL代表隊獲得了冠軍，他們的軌跡完全是用小推力模型設計的。
本屆賽事是紀念了蘇聯/俄羅斯科學家，俄羅斯科學院通訊院士，莫斯科國立大學教授，以及天體力學和航天理論的著名專家Vladimir Vasilievich Beletskij誕辰80周年。有趣的是，在最終提交的結果里，Beletskij小行星並未被任何一隻隊伍訪問到。
第六屆國際空間軌道設計大賽
第六屆國際空間軌道設計大賽(GTOC 6)由JPL外行星任務分析小組的Anastassios Petropoulos負責組織，題目於2012年9月10日發布。
題目要求使用小推力太空飛行器對木星的四顆伽利略衛星（木衛一、二、三、四）進行多次重複飛越，以進行木衛全球觀測。每顆衛星表面都採用32個平面來近似劃分（與足球模型一樣，包括12個正五邊形和20個正六邊形平面）。目標函式為探測器飛過的不同平面數，一些平面會得到加權獎勵。
該賽題是當時為止最困難的一個，組織者最初的想法還要更難，他們想讓飛船從地球出發，而不是木星引力影響球。
第二名的隊伍是歐洲航天局（ESA）,採取了完全不同的策略。他們不斷地切換訪問的衛星，而不是一顆一顆的探測完。最後也得到了很高的分數，很接近第一名。
人們爭論是否可以達到324分的理論最高分數。在2012年12月，比賽結束後不久，ESA團隊發現了一個316分的解（由JPL的Anastassios Petropoulos驗證無誤）。2014年8月，中國科學院空間套用工程與技術中心的高揚宣布獲得了一個320分的解。
第七屆國際空間軌道設計大賽
第七屆國際空間軌道設計大賽(GTOC 7)由都靈理工大學的Lorenzo Casalino和羅馬大學的Guido Colasurdo負責組織，題目於2014年5月20日發布。
一艘母太空飛行器被送往主小行星帶，需要在適當的時機釋放其攜帶的三個小推力探測器，它們需要在返回母太空飛行器前，在儘量多的小行星上蒐集科學信息。
由Anastassios Petropoulos帶領的JPL代表隊獲得了冠軍，在GTOC的歷史上，第一次有隊伍獲得了三次冠軍。
在已驗證的結果中，最長的小行星訪問序列為14。人們懷疑是否存在長度為15的序列。JPL使用蟻群算法得到了一個很有競爭力的解，但最終有另一個解表現更好，所以提交了後者。
第八屆國際空間軌道設計大賽
第八屆國際空間軌道設計大賽(GTOC 8)由JPL外行星任務分析小組的Anastassios Petropoulos負責組織，題目於2015年3月18日發布。
本屆競賽的主題為：基於空間超長基線干涉測量方法在宇宙中對射電源進行高解析度測繪。三個太空飛行器從地球出發，需要對420個無線電源中的1個進行干涉測量。當三個太空飛行器所在平面的法線穿過射電源時，可以進行測量。可以使用月球引力輔助和小推力引擎。
由Dario Izzo帶領的團隊獲得了冠軍，其成員來自歐洲航天局(ESA)先進概念研究組(ACT)和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)空間科學研究所(ISAS)，他們大多數是ACT的成員，或是ACT的前成員。
很對隊伍採取了完全不同的策略，但是得分很相近。
第九屆國際空間軌道設計大賽
第九屆國際空間軌道設計大賽(GTOC 9)由歐洲航天局(ESA)先進概念研究組(ACT)的Dario Izzo負責組織，題目於2017年4月發布。
本次競賽的主題為：清除活動空間碎片，比賽被命名為“凱斯勒奔跑”(The Kessler Run)。假想在2060年，一場嚴重的爆炸引發了凱斯勒效應，危及到了太陽同步軌道環境。幸運的是，希望尚未破滅，因為科學家們分離出了一組123個軌道碎片。如果將它們移除，可能恢復軌道環境的功能。需要設計多次任務來移除所有碎片。每次任務的成本取決於太空飛行器質量和增加的基礎成本。
由Anastassios Petropoulos和Daniel Grebow帶領的美國噴氣推進實驗室(JPL)團隊獲得冠軍，在GTOC的歷史上，首次有一個隊伍獲得了4次冠軍。
比賽主題和標題“凱斯勒奔跑”引用自韓·索羅(Han Solo)的名言“千禧獵鷹...正是這種飛船使得凱斯勒跑到了12個秒差距內”。為紀念這句名言，ESA調整了一些變數，使得要想用少於12次子任務來完成碎片清理變得更為困難。
第十屆國際空間軌道設計大賽
第十屆國際空間軌道設計大賽(GTOC X)由JPL外行星任務分析小組的Anastassios Petropoulos負責組織，題目於2019年5月15日發布。
冠軍方案移民分布
本次競賽的主題為“移民銀河系”，構想在9000萬年的時間裡，三種不同類型的星際飛船被送到銀河系以將人類擴散到整個星系。
冠軍團隊的得分與後面幾名的得分相差較大。
第十一屆國際空間軌道設計大賽
本次競賽的主題為“建造戴森球”，任務想定在100年後的2121年，人類不再滿足於僅利用地球上的能源，開啟了“戴森球”建造計畫。題目要求在20年內發射10艘太空飛行器來捕獲太陽系小行星，並將其推動至12個圍繞太陽環狀分布的位置建造發電站。各參賽隊需自行設計太空飛行器軌道和小行星轉移軌道，以儘可能少的燃料消耗捕獲儘可能多的小行星，建造儘可能大的發電站並儘量減小其與太陽的距離，以獲得最大的資源利用效率。
其他信息
中國隊伍首次奪冠
在2019年6月13日4時落幕的第十屆國際空間軌道設計大賽中，國防科技大學和西安衛星測控中心聯合組隊以絕對優勢力壓其他參賽隊，為中國贏得世界冠軍。
應眾多參賽隊要求，大賽組委會將冠軍方案放在官方網站供大家觀摩。浩瀚的星圖之中，這幅圖案仿佛在無聲地訴說：這就是中國方案，這就是中國智慧。
