在两个项目中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员研究了使用一种被称为多模推进的推进概念将航天器送上月球，并开发了一种设计最佳多模传输的技术。

使用多模推进实现更高效的太空旅行

NASA 为团队提供了四种真实的任务场景。目标是探索多模式推进系统如何成功，该系统集成了化学高推力模式和电动低推力模式(同时使用相同的推进剂)。他们使用标准的 12 单元立方体卫星完成了四项不同的任务。

“我们首次展示了在 NASA 相关月球任务中使用多模推进的可行性，尤其是立方体卫星，”航空航天工程博士生 Bryan Cline 说道。“其他研究使用了任意问题，这是一个很好的起点。我们的研究是首次对 NASA 相关月球任务的多模任务设计进行高保真分析。”

这项研究调查了四条与 NASA 相关的月球轨道，名为“采用化学电喷雾多模推进的月球小型卫星任务”，由伊利诺伊大学的 Cline 和 Joshua Rovey、NASA 戈达德太空飞行中心的 Khary Parker 和 José J. Rosales 以及太空探索工程的 Stephen West 共同完成。该研究发表在《航天器与火箭杂志》上。

克莱恩表示，多模推进系统相对于混合系统的优势之一是可以大大节省航天器的干重。例如，只需要一个燃料箱，就可以节省质量和体积。

“多模式推进系统也扩大了性能范围，”他说。“我们称它们灵活且适应性强。我可以选择高推力化学模式快速到达目的地，也可以选择低推力电喷射模式进行较小的机动以停留在所需轨道上。拥有多种模式可以减少燃料消耗或缩短完成任务目标的时间。”

与具有多种推进模式但每种推进模式使用单独推进剂的混合推进系统相比，它也具有优势。

“我可以随时选择使用高推力和低推力，过去怎么做都没关系。使用混合系统时，当一个油箱空了，我就无法选择那个选项了。”

克莱恩说，为了完成该项目的每一个设计参考任务，他们手动做出了所有选择——即何时使用高推力，何时使用低推力。由于全是手动的，所以轨迹并不是最优的。在完成这项工作之后，克莱恩开发了一种算法，即一组方程式，可以自动选择何时使用高推力和低推力，以确保最终的轨迹是最优的。

“这是一个完全不同的课题，重点在于方法的开发，而不是论文中展示的具体结果。我们开发了第一种专门用于多模式任务设计的间接最优控制技术。因此，我们可以开发符合物理定律的传输，同时实现特定目标，例如最大限度地减少燃料消耗或传输时间，”克莱恩说。

克莱恩首先解决了地球和火星之间简单的二维转移问题，从而确定了使用高推力、低推力或滑行的最佳时间。然后，他解决了将燃料消耗降至最低的三维地球静止轨道转移问题。

开发该方法的研究成果为“多模式推进任务设计的间接最优控制技术”，由克莱恩和亚历克斯·帕斯卡雷拉以及他们的指导老师罗宾·伍尔兰兹和约书亚·罗维共同完成。该研究成果发表在《宇航学报》杂志上。

“我们证明了该方法在与科学界相关的任务中是有效的，”他说。“现在你可以用它来解决各种任务设计问题。数学与具体任务无关。而且由于该方法利用了变分微积分，也就是我们所说的间接最优控制技术，它可以保证你至少得到一个局部最优解。”

克莱恩说，多模推进技术正在兴起、赋能和增强。“这是一项新兴技术，因为它仍在硬件方面进行开发。它赋能我们完成各种任务，没有它我们就无法完成这些任务。它增强我们，因为如果你有一个既定的任务概念，你就可以用多模推进技术做更多的事情。它有更大的灵活性。它有更强的适应性。

“我认为现在是研究多模推进技术的激动人心的时刻，无论是从硬件角度还是从任务设计角度。我们正在开发工具和技术，将这项技术从我们在塔尔博特实验室地下室测试的东西中转化为能够对太空界产生真正影响的东西。”