清华大学团队获航天界奥林匹克全球冠军，平均年龄 25 岁，如何评价这一成绩？ 第1页

谢邀，作为参赛团队的核心成员来回答一波~

可能很多人并不了解这项赛事，那我首先简要介绍一下这项赛事的比赛内容，以及举办背后的原因。

探索太空、遨游星际是人类自古以来的梦想。古人观星象预测运势，近代物理学家结合天文观测数据发现行星运行规律以及万有引力定律，到了现代，人类研究航天器进行太空探测。可以说，人类无尽的好奇心驱使着我们试图探测身处的宇宙，并对它进行理解。但另一方面，航天事业是一份“烧钱”的行业，最近刚刚发射的“韦伯太空望远镜”预算高达100亿美元，这样高的成本使得每次深空探测任务都是极其重要而又数量稀少的，如现在飞出太阳系的人造探测器只有美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）发射的“旅行者一号”和“旅行者二号”探测器。当前，全世界的航天科技研究人员在现在这个阶段会面临这样的问题：

1. 由于深空探测还处在比较初级阶段，各国人员对于深空探测的一些技术问题了解不够深入，如小行星附近引力场、木星/土星等大天体及其卫星构成的引力场模型、新型连续推力对航天器轨迹的设计影响等，需要世界各国的学者们深入研究；
2. 另一方面由于各国的任务目标并不相同，没有一种公平评判的方法来比较各自任务设计、轨道优化技术的优劣，世界各地人员都需要加强交流，推动技术的进步。

为了解决上述问题，欧洲空间局（ESA）发出倡议举办一场面向全球的航天轨迹优化比赛。这项提议迅速得到来自美国JPL实验室、法国航天研究中心、德国宇航中心等顶级航天机构的青睐并积极报名，就连发起人Dario Izzo博士也说到，这是一场“unexpected journey”（出乎意料的旅程）。因此，2005年，第一届国际空间探测轨迹优化（GTOC）比赛举行。举办方在官网公布题目以及评价指标，28天后比赛截止，参赛队伍不限人数、不限人力，就是要在这四周的时间内，邀请全世界的顶尖数学家与工程师给出最好的任务设计方案并在线提交给主办方进行验证。竞赛冠军将负责下一届比赛的出题。最终，在理论研究与工程实践均为世界顶尖的JPL获得了该次比赛冠军，并同意举办第二届比赛。就此，GTOC赛事不断发展。

从上面的介绍就可以看到，GTOC赛事有以下几个特点：

1. 主办者及冠军队伍是航天领域内任务设计的佼佼者，难点均是技术前沿问题，可指导现实工程
2. 面向的对象是顶尖航天研究人员，且比赛队伍不限人数、不限资源，代表全世界最高水平
3. 设计方案采用定量评价指标，自动验证，保证竞赛本身的绝对客观、公平

这样的比赛形式以及一流参赛技术水平，使得GTOC赛事被冠以航天界“奥林匹克竞赛”的美誉，迅速得到业内的追捧。而每届竞赛的冠军方案往往成为了航天任务设计的优秀案例被后人学习，如第一届GTOC冠军JPL的方案，通过连续的“引力辅助”技术，竟使得探测器轨道在土星附近发生“翻转”以最大动能撞击一颗对地球有威胁的小行星，拯救地球的命运。而2021年，NASA真的发射了一颗探测器要进行小行星撞击，探索小行星防御方案DART。除此之外，一些竞赛中的新技术也被业内广泛传播，并逐步研究，在赛后形成论文超越原始冠军结果的例子也屡见不鲜。可以说，整个竞赛已经成为了任务设计、轨迹优化领域中引导世界技术水平的一个先锋。一些竞赛方案可能由于过于超前，在目前阶段还没有预算和实施时间来进行，但我们相信，未来的某一天它们将被后人记起并大显身手。

讲到这里，终于可以讲讲我们参加的GTOC 11 故事。

1960年，美国物理学家弗里曼·戴森在《科学》期刊上发表文章《搜索人造的恒星红外辐射源》，提出可以通过寻找强红外辐射源来发现外星文明。在文中，他提出这样一个设想：太阳系内一切能量本质是太阳辐射能量。若我们使用一种结构将太阳包起来，则可以利用巨量能源，实现人类文明等级跨越。这个结构，后人称之为“戴森球”。

“戴森球”的材料从哪里来，如何建造戴森球，戴森先生并没有考虑更细节的内容。基于此，第十一届国际空间探测轨迹优化大赛从轨道设计方面给出从技术上实现“戴森球”的初步方案，考虑围绕太阳建造一条环状装置，也可称为“戴森环”。“戴森环”的建造需要一定的初始能量用于启动，且建造本身也需要大量材料，这些又从何而来呢？一个可能的想法是，利用太阳系内发现的大量小行星来实现。这也是本次大赛重点要考虑的现实问题。

本次大赛要求参赛的国际顶尖轨道设计专家们考虑以下几个实际的重点与难点问题：在给定的83453颗小行星中，探测哪些小行星作为建造基石？在哪里建造“戴森环”？如何设计从小行星转移到“戴森环”的轨道？

在28天的紧张比赛周期中，我们团队激烈讨论，最终结合问题特性设计了高效的进化优化算法，进一步加速极小值原理求解最优轨迹速度，建立全星体转移星历，充分利用高性能计算技术并全面发挥超级计算机的计算能力，并在竞赛中期再次注意到连续飞越小行星的潜在转移窗口，实现了超高的小行星建站效率，给出了一组满意的“清华方案”。最终，我们以总分8443分拿到第一名，比第二名的欧空局6359分高出了30%以上，实现了绝对优势夺冠，本次竞赛的2-6名也均为欧美传统强队。竞赛发起人Izzo 博士也在第一时间给我们发来了贺信~

最后，我来谈谈我个人的感受。

比赛结束的那一刻，其实心中的那份紧张感没有想象中立即得到放松。相反，那份维持了一个月的紧张节奏反而会让我形成习惯，比赛结束很久之后我还会在打开电脑时不自觉点开赛事的官网看看早已定格的赛事排名。在比赛结束那晚我独自又在实验室坐了很久很久，有些不敢相信我们这么好的成绩，也有些忽然停止之后的茫然。我曾幻想过在博士生涯获得GTOC比赛的冠军，但我从没有想到梦想真正实现的日子原来是这样的体验。

还有一个很有趣的故事是，赛事截止的那天是11月7日，也正好是2005年第一届比赛开始的同月同日。在那一届，清华航天动力学实验室是所有国际队伍中的唯一一支亚洲队伍，可却是提交结果的最后一名。整整16年的等待，我们在最巧合的日子终于圆梦。当听到这个故事时，我忽然有了一种莫名的感动。整个比赛就像一段长跑接力赛，无数已经毕业的师兄师姐在自己的“长跑”途中坚持着跑完自己的这段旅程，并将自己的“接力棒”用力交给下一届。我很幸运，我们是最后一棒；我们也很努力，没有辜负大家的期望。

GTOC11两年后的下一届竞赛就是我们出题了，希望下一次，我们能贡献自己的智慧，给出一套有趣的“清华赛题”！