太阳质量损失对行星轨道的影响

本文利用Ｇｙｌｄｅｎ－Ｍｅｓｈｃｈｅｒｓｋｉｉ方程和Ｅｄｄｉｎｇｔｏｎ－Ｊｅａｎｓ定律，讨论太阳质量损失对行星轨道的影响，结果表明由于太阳质量损失会产生轨道半长径α的一阶周期项和二阶混合项；近日点角距ω的一阶周期项、二阶长期项和混合项，行星轨道半长径的长期变化会影响太阳系的稳定性。     

一种适用于平动点周期轨道初值计算的简化路径搜索修正法

在限制性三体问题中，路径搜索修正法是一种基于平动点周期轨道垂直穿越Poincare截面的几何对称性计算平面及空间平动点周期轨道近似初值的方法.采用路径搜索修正法的一种简化形式，在圆形限制性三体模型中，对地月系中几种典型的平面及空间周期轨道近似初值进行了计算.结果表明，该简化方法得到的周期轨道近似初值不唯一，由近似初值经微分修正得到的精确结果中通常同时存在Halo轨道和大幅值逆行轨道（DRO）.进一步分析表明，在某些临界初值下，精确结果中Halo轨道将消失，同时可能出现平面Lyapunov轨道及Vertical轨道.上述计算中，搜索初值与结果中轨道类型的对应关系值得进一步研究.      

小天体环的轨道动力学

随着天文观测的深入,发现不仅土星、木星等气态巨行星环绕有光环,某些小天体也环绕有光环。针对目前发现环的半人马型小天体女凯龙星（10199 Chariklo）,研究其引力场中粒子（视为质点）的轨道动力学,分析赤道椭率和小天体自转对环中粒子轨道运动的影响,通过庞加莱截面中的KAM环迭代,得到第一类周期轨道和1∶3共振周期轨道,并通过对比和分析得到小天体光环位置与小天体自转平运动共振的关系。研究结果表明:女凯龙星内环中的粒子最可能处在满足径向振荡幅值范围的第一类周期轨道及其附近的准周期轨道上,但不能排除处在1∶3共振周期轨道及其附近的准周期轨道上;外环中的粒子不可能处在1∶3共振周期轨道上,只可能处在第一类周期轨道及其附近的准周期轨道上。      

火卫一周期准卫星轨道及入轨分析

围绕火卫一的准卫星轨道（QSOs）因其具有良好的稳定性，是火卫一探测任务最为实用的轨道。在平面圆型限制性三体问题模型下，利用庞加莱截面和KAM环迭代方法探究了准卫星轨道的周期轨道族，并给出不同能量准卫星周期轨道的初始条件。针对火卫一周期准卫星轨道入轨，提出一种转移轨道设计方法:对准卫星周期轨道调整速度后进行反向积分，直至离开火卫一邻近区域，从而得到由火星环绕轨道向火卫一周期准卫星轨道的转移轨道，并调整转移轨道参数对燃料与时间消耗进行优化。研究结果表明，当周期准卫星轨道能量处于特定区间时，存在特定速度脉冲区间，可利用火卫一引力实现较少燃料消耗的轨道转移；在该速度脉冲区间中，通过选取较小的速度脉冲，可缩短转移时间。      

太阳中纬度探测共振借力轨道设计

针对太阳中纬度探测任务,设计了共振借力轨道方案.根据离开超越速度的解析表达式得到借力后日心轨道的可行集并将结论推广到任意借力行星.进而提出RRpInc图形化设计方法,通过RRpInc图分析得到共振借力的超越速度大小直接决定了最终轨道倾角.以共振借力行星作为目标星体设计借力转移轨道,以逃逸速度和到达超速作为性能指标,采用多目标优化算法优化.给出了两个设计方案:方案1选择金星作为共振借力行星,探测器通过“金星-地球-地球”借力飞行增加金星共振借力前的超越速度;方案2选择地球为共振借力行星,探测器在木星借力后返回地球共振借力.两个方案最终轨道倾角分别约为30°和35 °.     

太阳中纬度探测共振借力轨道设计

针对太阳中纬度探测任务,设计了共振借力轨道方案.根据离开超越速度的解析表达式得到借力后日心轨道的可行集并将结论推广到任意借力行星.进而提出RRpInc图形化设计方法,通过RRpInc图分析得到共振借力的超越速度大小直接决定了最终轨道倾角.以共振借力行星作为目标星体设计借力转移轨道,以逃逸速度和到达超速作为性能指标,采用多目标优化算法优化.给出了两个设计方案:方案1选择金星作为共振借力行星,探测器通过"金星-地球-地球"借力飞行增加金星共振借力前的超越速度;方案2选择地球为共振借力行星,探测器在木星借力后返回地球共振借力.两个方案最终轨道倾角分别约为30°和35°.     

考虑太阳摄动的小行星附近轨道动力学

本文研究了艳后星(216 Kleopatra)和爱神星(433 Eros)附近的周期轨道,在考虑太阳引力摄动的情况下,发现了以往所遗漏的216 Kleopatra轨道族和环绕433 Eros的12族周期轨道,并且给出了它们的特性。研究结果表明,太阳引力对小行星平衡点位置的影响很小,但是对平衡点上航天器运动的影响较大。同族不稳定轨道中,大Jacobi常数轨道更容易在摄动后保持轨道原来特性,这很好地解释了小行星卫星在较远轨道上长期存在的可能性。     

地月空间的远距离逆行轨道族及其分岔研究

地月系统中存在着一类绕月逆行、高度稳定的轨道族,称为远距离逆行轨道族(DRO)。以圆型限制性三体问题(CR3BP)为动力学模型研究了DRO轨道族周边的动力系统结构。利用Broucke稳定性图寻找分叉点,判断分叉类型,基于数值延拓计算分岔后产生的一系列新轨道分支。分叉类型主要有切分叉与多倍周期分叉(从3倍周期开始),轨道维度包含平面轨道族与三维轨道族。计算新轨道族的特征,包括形状、周期、能量、稳定性、双曲流形结构等。探讨周期轨道的轨道周期与能量的关系,以几何化的方式展现分叉结构、多周期轨道的双曲流形结构等。该动力结构将为基于DRO轨道族的地月空间任务提供重要的理论支持。      

返回式航天器轨道周期变率确定及预报的数值方法

对返回式航天器进行变轨控制计算时要用到平均轨道周期变率,而数值法定轨通常求解的是大气阻力系数,无法直接得到平均轨道周期变率。文章通过建立航天器精密动力学模型、数值积分器、瞬时轨道根数到平均轨道根数的转换算法和平均周期序列多项式拟合算法,提出了一种基于数值法精密轨道确定和预报计算平均轨道周期变率的数值方法。     

一种不规则小行星附近周期轨道全局搜索策略

研究不规则小行星附近的自然周期轨道,有助于更好地认识小行星附近的动力学特性。周期轨道的搜索过程需要频繁地进行轨道递推,其中绝大多数的计算时间消耗在不规则小行星附近的引力加速度计算中。为提高加速度计算效率,提出一种不规则小行星引力加速度快速估计方法;在此基础上,通过参数空间内随机化粗略搜索获得周期轨道的初值猜想;利用遗传算法在初值猜想附近区间进行精细搜索,找到周期轨道的初值。通过对不规则小行星433 Eros附近周期轨道的搜索,对其附近不同形状的周期轨道进行了分类,分析周期轨道在小行星附近的分布规律。     

利用EMD方法提取太阳活动周期成分

EMD(经验模态分解)方法在处理非线性及非平稳时间序列时表现出了很大的优势和应用潜力.利用EMD方法研究太阳活动周期,对110年(1894-2003)和55年(1949-2003)的太阳黑子数月均值进行分解,分别得到一系列模式和一个趋势项,其中都可能包含有1.3至1.4年周期分量,25至30个月QBO(准双年振荡)分量,11年太阳周分量和22年Hale周分量.其中11年周期分量幅度最大,变化特征与太阳黑子数原始数据具有很高的相似性.不同于传统方法,EMD方法给出了太阳活动在不同时间尺度上各自分离的变化特征.      

Solar terrestrial effects of two distinct types

The occurrence frequencies or fluxes of most of the solar phenomena show a 11-year cycle like that of sunspots. However, the average characteristics of these phenomena may not show a 11-year cycle. Among the terrestrial parameters, some related directly to the occurrence frequencies of solar phenomena (for example, ionospheric number densities related to solar EUV fluxes which show 11-year cycle like sunspots) show 11-year cycles, including the double-peak structures near sunspot maxima. Other terrestrial parameters related to average characteristics may not show 11-year sunspot cycles. For example, long-term geomagnetic activity (Ap or Dst indices) is related to the average interplanetary solar wind speed V and the total magnetic field B. The average values of V depend not on the occurrence frequency of ICMEs and/or CIRs as such, but on the relative proportion of slow and high-speed events in them. Hence, V values (and Ap values) in any year could be low, normal or high irrespective of the phase of the 11-year cycle, except that during sunspot minimum, V (and Ap) values are also low. However, 2–3 years after the solar minimum (well before sunspot maximum), V values increase, oscillate near a high level for several years, and may even increase further during the declining phase of sunspot activity, due to increased influence of high-speed CIRs (corotating interplanetary regions). Thus, Ap would have no fixed relationship with sunspot activity. If some terrestrial parameter shows a 11-year cycle, chances are that the solar connection is through the occurrence frequencies (and not average characteristics) of some solar parameter.     

On the time lag between solar wind dynamic parameters and solar activity UV proxies

The solar activity displays variability and periodic behaviours over a wide range of timescales, with the presence of a most prominent cycle with a mean length of 11 years. Such variability is transported within the heliosphere by solar wind, radiation and other processes, affecting the properties of the interplanetary medium. The presence of solar activity–related periodicities is well visible in different solar wind and geomagnetic indices, although their time lags with respect to the solar cycle lead to hysteresis cycles. Here, we investigate the time lag behaviour between a physical proxy of the solar activity, the Ca II K index, and two solar wind parameters (speed and dynamic pressure), studying how their pairwise relative lags vary over almost five solar cycles. We find that the lag between Ca II K index and solar wind speed is not constant over the whole time interval investigated, with values ranging from 6 years to $～$1 year (average 3.2 years). A similar behaviour is found also for the solar wind dynamic pressure. Then, by using a Lomb-Scargle periodogram analysis we obtain a 10.21-year mean periodicity for the speed and 10.30-year for the dynamic pressure. We speculate that the different periodicities of the solar wind parameters with respect to the solar 11-year cycle may be related to the overall observed temporal evolution of the time lags. Finally, by accounting for them, we obtain empirical relations that link the amplitude of the Ca II K index to the two solar wind parameters.     

基于EMD的东亚夏季风年代际变化特征及与太阳活动的关系

应用英国气象局哈德利气象研究中心(HadleyCenter)及美国环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的海平面气压(SeaLevelPressure,SLP)资料归一化得出1850-2011年的东亚夏季风指数,利用经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)方法对其变化特征进行分析,得到东亚夏季风指数的周期特征.太阳黑子活动与东亚夏季风活动存在相同的11年及80年左右周期,其中11年周期变化尤为明显.对比1850-2011年间太阳黑子数与东亚夏季风指数经验模态分解后的11年周期变化分量,发现两者波动振幅变化基本一致.      

太阳F10.7指数准27天振荡的小波分析

利用1956-2003年的F10.7日均值数据,采用Morlet小波变换方法,分析了准27天振荡的特征及与太阳活动11年周期(Schwabe周期)的关系.结果表明,F10.7的准27天振荡的幅度和周期存在明显的短期变化现象,不同年里变化的程度差别很大,有些年里起伏非常剧烈,在几天到几十天的很短时间里,幅度变化达十几倍,周期可变化数天,甚至发生十几天的突变;有些年里,幅度变化很大但起伏很小,周期也比较稳定.准27天振荡的年平均幅度存在明显的逐年变化,与太阳活动显著相关.一般说来,F10.7越高,准27天振荡的幅度就越大,然而在太阳活动19周峰年,F10.7比其他活动周的值都高,但准27天振荡的幅度却比其他活动周低.准27天振荡的周期也有明显的逐年变化,除了个别年(如1987年),年平均周期在24至31天之间变化,与太阳活动周期没有明显的关系.48年的平均周期为27.3天.从总体看,周期有逐渐缩短的趋势,48年里周期大约减少了1.5天.造成准27天振荡起伏的因素非常复杂,有待深入研究.      

Essential features of long-term changes of areas and diameters of sunspot groups in solar activity cycles 12–24

We analyze the Greenwich catalog data on areas of sunspot groups of last thirteen solar cycles. Various parameters of sunspots are considered, namely: average monthly smoothed areas, maximum area for each year and equivalent diameters of groups of sunspots. The first parameter shows an exceptional power of the 19th cycle of solar activity, which appears here more contrastively than in the numbers of spots (that is, in Wolf’s numbers). It was found that in the maximum areas of sunspot groups for a year there is a unique phenomenon: a short and high jump in the 18th cycle (in 1946–1947) that has no analogues in other cycles. We also studied the integral distributions for equivalent diameters and found the following: (a) the average value of the index of power-law approximation is 5.4 for the last 13 cycles and (b) there is reliable evidence of Hale's double cycle (about 44?years). Since this indicator reflects the dispersion of sunspot group diameters, the results obtained show that the convective zone of the Sun generates embryos of active regions in different statistical regimes which change with a cycle of about 44?years.     

行星际火箭和人造行星卫星的轨道设计问题

本文探讨行星际探测器和人造行星卫星的动力学模型,研究它们的运动轨道,给出飞行时间的近似式,并且从飞行时间和消耗能量二个方面对它们的轨道设计问题提出了一些新的看法.另外,文中还讨论了人造行星卫星的运动及其稳定条件.      

利用相似周方法预测第24活动周开始时间

利用相似周方法对第24活动周的开始时间与第23活动周下降相后期的太阳黑子数进行了预报.根据第23周已经出现的特征参量和下降相的形态特征,选取9,10,11,15,17和20等六个太阳活动周作为第23周下降相的相似周,对第24周开始时间进行预报.预报结果显示,第24活动周的开始时间为2007年5±1月,黑子数平滑月均极小值为7.1±2.6,第23太阳活动周长度为11.1年.与其他研究者的预报结果相比较,本文给出的结果与文献[11]和[12]及MSFC的结果比较一致.通过对相似周方法在下降相预测太阳活动周结束时间的研究讨论,及对第23周上升阶段的太阳黑子数和F10.7平滑月均值预报结果的评估,可以看出,相似周预报方法在太阳活动周长期预报中是很有应用价值的.      

轨道要素奇异问题的改进四元数方法

运用四元数方法可以在一定范围内解决描绘飞行器轨道运动时轨道要素的奇异问题。但四元数固有的双值性使得在对运动方程进行积分时,其正负选取很困难。为了解决这一问题,采用了改进约束方程的四元数方法,并用该方法描述了拉格朗日行星摄动方程,然后研究了地球扁率摄动对地球同步卫星轨道的影响。仿真结果表明：当偏心率小于1时,四元数可以很好地解决轨道要素奇异性问题。与改进的春分点轨道要素相比,四元数的方法有着更加明确的物理意义和几何意义,用四元数表示的运动变量方程的计算更为简单,积分计算效率更高,而且其计算误差也能达到精度要求。     

Specific features of the high-speed plasma stream cycles

The high-speed plasma streams in the solar wind are investigated during the solar cycles nos. 20–22 (1964–1996), separately on the two types of streams according to their solar origin: the HSPS produced by coronal holes (co-rotating) and the flare-generated, in keeping with the classification made in different catalogues. The analysis is performed taking into account the following high-speed stream parameters: the durations (in days), the maximum velocities, the velocity gradients and, the importance of the streams. The time variation of these parameters and the high-speed plasma streams occurrence rate show an 11-year periodicity with some differences between the solar cycles considered. A detailed analysis of the high-speed stream 11-year cycles is made by comparison with the “standard” cycles of the sunspot relative number (Wolf number). The different behaviour of the high-speed stream parameters between even and odd solar cycles could be due to the 22-year solar magnetic cycle. The increased activity of the high-speed plasma streams on the descendant phases of the cycles, regardless of their solar sources, proves the existence of some special local conditions of the solar plasma and the magnetic field on a large scale that allow the ejection of the high energy plasma streams. This fact has led us to the analysis the stream parameters during the different phases of the solar cycles (minimum, ascendant, maximum and, descendant) as well as during the polar magnetic field reversal intervals. The differences between the phases considered are pointed out. The solar cycles 20 and 22 reveal very similar dynamics of the flare-generated and also co-rotating stream parameters during the maximum, descendant and reversal intervals. This fact could be due to their position in a Hale Cycle (the first component of the 22-year solar magnetic cycle). The 21st solar cycle dominance of all co-rotating stream parameters against the 20th and 22nd solar cycle ones, during almost all phases, could be due to the same structure of a Hale Cycle – solar cycle 21 is the second component in a 22-year SC. During the reversal intervals, all high-speed stream parameters have comparable values with the ones of the maximum phases of the cycles even if this interval contains a small part of the descendant branch (solar cycles 20 and 22).