IPS转移轨道设计技术

行星际高速公路（IPS）在未来深空探测中有着重要作用,转移轨道设计技术是IPS设计理论的关键技术之一。在系统综述和总结前人研究成果的基础上,首先分析了IPS的理论基础,然后从不变流形理论出发,研究了IPS转移轨道设计问题,重点分析了不变流形与出发天体停泊轨道不能相交的情况下,转移轨道的设计与优化方法。最后将IPS返回轨道分解为大气层外飞行段和大气层内飞行段分别优化,讨论了IPS返回转移轨道设计问题。     

尼尔进入爱神星轨道

美国航宇局的近地小行星交会 ( NEAR,简称“尼尔”)探测器 2月 1 4日在茫茫太空中多游荡了一年后 ,终于进入了围绕爱神星小行星运行的轨道。这是人类制造和发射的航天器首次成功地进入围绕小行星运行的轨道。在此之前 ,人造航天器已进入过6个太阳系内天体的轨道。这 6个天体分别是地球、月球、太阳、火星、金星和木星。尼尔的成功入轨 ,使爱神星成了第 7个有人造航天器环绕其飞行的天体。首次尝试尼尔是美国航宇局在其低成本行星科学探测计划——发现计划下发射的第一颗探测器 ,重80 5公斤 ,由约翰·霍普金斯大学应用物理学实验室设计和建…     

月球卫星轨道摄动及冻结轨道研究

利用理论分析、数值仿真与相图分析,论述了月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的区别,分析结果表明,月球重力场存在较大异常,会引起月球卫星轨道发生较大漂移。月球冻结轨道在田谐项影响下,还存在中等周期的漂移。仅简单考虑带谐项系数,无法求得完美的月球冻结系数。月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球相比存在很大区别。月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计,不能按照地球轨道卫星的传统方法。目前使用的月球引力模型精度较差,尽管基于这些不可靠的引力模型,可以得出很多有用结论,但对未来高精度的月球探测任务来说,还存在不足,需要在将来的月球探测任务中,探测高精度的月球重力场,以利于未来月球探测航天系统的任务分析与设计。     

木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。     

美探测器进入灶神星小行星轨道

在飞行超过27亿公里后,NASA“黎明”探测器7月15日进入绕灶神星小行星运行的轨道．成为绕太阳系小行星带中天体做轨道运行的首个人造探测器。灶神星直径约530公里．是小行星带中第二大的天体,也是太阳系中最亮的小行星,有许多秘密有待破解。“黎明”探测器耗资4．66亿美元．发射于2007年9月。灶神星是它此次探测任务的第一站。它将测绘灶神星表面。     

发射极月卫星的转移轨道研究

极月轨道是轨道面垂直于月球赤道面的月球卫星轨道,这是新一轮的月球探测活动常用的轨道。本文对发射极月卫星的转移轨道进行了全局性的研究。转移轨道的近地点高度、近月点高度及从近地点到近月点的飞行转移时间都是预先选定的。本文采用全局迭代法找出所有满足条件的转移轨道,并对其特性进行了分析。迭代过程中所需的全局状态转移矩阵是基于矩阵微分方程和飞行器运动的微分方程一起用数值积分法求得的。     

美国深空探测战略的发展与演变

深空探测是指“对大于等于地月距离的天体开展的探测活动”。一般不包括地球轨道的空间探测。而在美国航空航天局（NASA）的空间探测发展规划和计划中．则统一简称为“空间探测”。     

双月旁转向轨道的动力学与建模研究

 双月旁转向轨道是实现“多任务、多目标”探测模式的理想工具,在以往的深空探测任务中得到了广泛的应用。首先,根据双月旁转向轨道的空间构型和特性,将其分为两大类：平面型和Backflip型;其次,基于“零影响球”和“CR3BP”两种模型,阐述了近旁转向轨道的基本原理;同时,讨论了平面型双月旁转向轨道的动力学特性和建模方法,并给出了其两类应用背景,与此相似,归纳了Backflip型双月旁转向轨道的原理和求解方法。对双月旁转向轨道开展的研究和分析工作能够为我国未来开展的行星际探测任务提供新的思路和参考。     

土星探测器飞行动力学与轨道计算

根据牛顿第二定律和万有引力定律，建立了空间探测器的运动微分方程，并以土星探测器为例，利用精确的数值积分方法对其轨道进行了设计和计算，在土星探测器的轨道设计和计算中，充分利用了有关天体的引力机动，有目的地使探测器飞过一系列行星来增加探测器的能量，从而大大降低了探测器的发射条件。     

一种小天体探测器绕飞轨道主动抗扰控制方法

针对小天体绕飞探测过程中,探测器受到的非球形引力摄动及太阳光压等多源扰动问题,结合绕飞探测的周期性特点,提出一种小天体探测器绕飞轨道主动抗扰控制方法。首先,通过迭代学习控制对小天体探测器受多源扰动影响产生的误差进行抑制,然后设计扰动观测器估计系统总扰动,构造自适应律实时估计扰动上界,进而设计控制律对总扰动进行主动补偿。最后以243Ida作为目标天体进行绕飞探测仿真分析,结果表明该控制方法能更加有效地提高小天体探测器的轨道跟踪控制精度。     

电动绳系在低极轨卫星中的应用研究

低极轨卫星具有轨道周期短、对地观测分辨率高等优点,但由于所在轨道大气阻力大,其使用寿命受到较大限制。文章提出采用水平结构电动绳系抵消低极轨卫星大气阻力的方法,通过系绳电流与地球磁场相互作用产生洛仑兹力进行推进,进而在无燃料消耗的情况下实现对低极轨卫星轨道高度的维持。初步分析了该方法在低极轨不同尺寸卫星中的应用潜力,计算了160 、400 和800 km 典型高度低极轨卫星所经历的地球磁场、电离层和高层大气环境相关参数变化,比较了不同条件下电动绳系推力与大气阻力大小随轨道位置的变化。分析结果表明,该方法适用于400 km 轨道高度以上大卫星;在满足一定系绳长度和轨道高度的条件下,电动绳系可以有效延长低极轨卫星的轨道寿命。     

航天器在轨寿命预测与可靠性评价

文章重点分析了航天器在轨寿命和可靠性的影响因素,提出了航天器在轨寿命预测和可靠性评价的基本研究思路并分析了研究的内容,提出了航天器基础在轨寿命的概念。     

导弹轨姿控舱体的强度分析

借助NASTRAN和PATRAN有限元分析软件,对承受多种加载方式的导弹轨姿控舱体进行了有无补强措施对比的强度分析。计算结果表明,轨姿控舱体设计的安全系数高;采取施加压紧盖的补强措施后,可分别使轨姿控舱体的最大应力值和最大变形量约降低到原值的1/2。试验结果证明,这种计算分析方法有效、可靠。     

地-月低能耗转移轨道中途修正问题研究

采用地-月低能耗转移轨道的探测器从地球停泊轨道转移到极月轨道一般需要3~4个月时间,这类转移轨道对入轨精度有较高的要求。本文对地月转移轨道中途修正问题进行了研究。文中结合地-月低能耗转移轨道的特点,给出一种分段式多目标多次中途修正方案。利用显式制导结合牛顿迭代,分别以地球和月球作为中心天体求解兰伯特问题,在假设探测器各种轨道误差的基础上进行了蒙特卡罗仿真。采用该方法一般需要3~5次中途修正能够满足月球探测器环月轨道入轨精度要求,整个转移过程燃料消耗小于传统地月转移轨道。文中给出的仿真结果验证了该方案的可行性。     

Mission analysis and systems design of a near-term and far-term pole-sitter mission

This paper provides a detailed mission analysis and systems design of a near-term and far-term pole-sitter mission. The pole-sitter concept was previously introduced as a solution to the poor temporal resolution of polar observations from highly inclined, low Earth orbits and the poor high-latitude coverage from geostationary orbit. It considers a spacecraft that is continuously above either the north or south pole and, as such, can provide real-time, continuous and hemispherical coverage of the polar regions. Being on a non-Keplerian orbit, a continuous thrust is required to maintain the pole-sitter position. For this, two different propulsion strategies are proposed, which result in a near-term pole-sitter mission using solar electric propulsion (SEP) and a far-term pole-sitter mission where the SEP thruster is hybridized with a solar sail. For both propulsion strategies, minimum propellant pole-sitter orbits are designed. In order to maximize the spacecraft mass at the start of the operations phase of the mission, the transfer from Earth to the pole-sitter orbit is designed and optimized assuming either a Soyuz or an Ariane 5 launch. The maximized mass upon injection into the pole-sitter orbit is subsequently used in a detailed mass budget analysis that will allow for a trade-off between mission lifetime and payload mass capacity. Also, candidate payloads for a range of applications are investigated. Finally, transfers between north and south pole-sitter orbits are considered to overcome the limitations in observations due to the tilt of the Earth's rotational axis that causes the poles to be alternately situated in darkness. It will be shown that in some cases these transfers allow for propellant savings, enabling a further extension of the pole-sitter mission.     

Orbit lifetime for microparticles in highly elliptical orbits with low perigee

On the basis of numerical experiments, we have shown the principal possibility of long (more than 1 month) and extremely long (more than 1 year) orbit lifetime of technogenic microparticles with radii from 1 to 100 μm injected into the near-Earth space in highly elliptical orbits with low perigee, including the case of an orbit with parameters corresponding to the orbital parameters of the Molniya satellite. Calculations are performed taking into account the perturbing effect on the orbital microparticle motion in the near-Earth space of gravitational perturbation caused by the Earth’s polar oblateness, the solar pressure force (calculated using methods of the Mie theory), and the drag force of neutral component of the background gas under conditions of low, medium, and high levels of solar and geomagnetic activities.     

低地球轨道环境原子氧对航天器表面材料聚酰亚胺作用的数值模拟

在建立数学物理模型的基础上，对氏地球轨道环境和地面实验环境下，有无保护层的聚酰亚胺所受原子氧冲蚀作用进行了进行了成功的数值模拟，获得了具有工程应用价值的数值计算结果，并讨论了数学物理模型中各参数对基蚀曲线形状的影响。从数值模拟结果和美国太空实验结果的比较可以看出，本文数据模拟的结果是正确的。该项工作对航天器的设计具有重要指导意义。     

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索因需考虑日、地、月引力的影响而使问题变得复杂。针对该多体系统的发射机会搜索问题,提出了一种分层渐近的搜索方法。该方法首先通过分析地月系质心与小行星的几何关系,搜索从地月系质心到小行星的发射机会,进而以地月运动为研究对象,推导出了从月球轨道切向逃逸机会的判别条件,并基于此判别条件及等高线图法对逃逸机会进行了搜索。同时,为提高所得发射机会在多体模型下的轨道修正收敛性,给出了基于月心逃逸轨道参数为终端约束的日-地与日-地-月动力学模型的轨道渐近修正方法。最后,以近地小行星(3908)Nyx和(190491)2000 FJ20为例,搜索其从月球逃逸的发射机会,仿真计算表明了该方法的有效性。     

太阳帆日心定点悬浮转移轨道设计

研究了太阳帆航天器日心定点悬浮轨道(HFDO)的转移轨道设计问题,以球坐标形式建立了太阳帆的动力学模型,基于该模型给出在日心悬浮轨道基础上实现定点悬浮的条件,提出了一种实现日心定点悬浮的转移轨道设计方法。首先,确定定点悬浮的位置;然后,设计经过该位置的绕日极轨轨道;最后,实施轨道减速实现定点悬浮,并给出了解析形式的轨道控制律。结合太阳极地观测任务,设计了定点悬浮在太阳北极1AU处的太阳帆转移轨道。仿真结果表明:该轨道转移方案总耗时3.5年,太阳帆定点到黄北极距日心1AU处,此后只要保持太阳光垂直照射帆面,即可维持稳定的悬浮状态。