气动-引力辅助转移轨道研究及在星际探测中的应用

借力飞行是减小星际探测任务发射能量和总的速度增量的有效途径,然而,借力飞行前后,探测器速度矢量转角的变化往往受到借力星体体积、质量等因素的影响,而不能达到理想的要求。若在借力飞行中引入气动辅助变轨,即气动-引力辅助转移(AGA),则这一问题可以得到有效解决。现通过对AGA转移轨道的分析,给出了AGA转移轨道设计的拼接条件,此拼接条件是对AGA转移轨道进行设计和分析的重要准则。同时还以探测Ivar小行星为例,提出了一种将绘制等高线图和圆锥曲线拼接相结合的设计AGA转移轨道的方法,并给出了设计探测Ivar小行星转移轨道的参数。数值计算表明:AGA转移方法不但可以降低远程星际探测任务的发射能量和总的速度增量,而且可以找到更多的探测机会。     

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…     

小行星探测最优两脉冲交会轨道设计与分析

小行星探测已经成为新世纪深空探测的一个新热点和未来世界航天发展的一个新方向。转移轨道的设计和探测目标可接近性的分析是小行星探测的关键技术之一。现利用了任意两个非共面非共轴椭圆轨道之间的最优两脉冲转移方法，对我国提出的探测Ivar小行星的交会转移轨道进行了设计与分析，给出了全局最优两脉冲交会轨道的设计参数，并利用此方法对近地小行星的可接近性进行了分析和排序，给出了可接近性较好的40颗近地小行星的转移轨道设计参数。这些研究结果对于近地小行星探测任务的目标选择和发射机会的预测都有重要的参考价值。     

考虑J2项摄动的星座相对运动控制

利用轨道某些要素(偏心率，升交点赤经和倾角)的差别可以构成由一颗中心星和几个环绕星组成的近距离星座。在理想中心引力场下，环绕星运行轨迹在水平面投影可以呈现封闭圆形。在地球引力摄动时，这种空间形状将逐渐发散。为此，本文考虑J2项摄动的影响，设计了对其具有鲁棒性的环绕星相对轨道；进而导出了带有J2项摄动的环绕星相对运动方程，并给出了基于惯性笛卡尔坐标系运动学变量的相对轨道控制方法。分析和仿真结果表明，这种控制方法能够实现星座相对运动的高精度控制。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

在地心引力场中，当目标航天器沿近圆轨道作无动力运动时，与目标航天器相邻的受控航天器相对于目标航天器的运动可以近似地用Ｈｉｌｌ方程描述。文章给出了受控航天器对目标航天器运动的推力速度随时间线性变化时Ｈｉｌｌ方程的解析解。并根据Ｈｉｌｌ方程导出了受控航天上对目标航天器运动的比动能方程。还讨论了比动能方程在上述两航天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

在地心引力场中,当目标航天器沿近圆轨道作无动力运动时,与目标航天器相邻的受控航天器相对于目标航天器的运动可以近似地用Hill方程描述。文章给出了受控航天器对目标航天器运动的推力加速度随时间线性变化时Hill方程的解析解。并根据Hill方程导出了受控航天器相对目标航天器运动的比动能方程。还讨论了比动能方程在上述两航天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

椭圆轨道卫星编队队形及J2项摄动影响研究

基于椭圆轨道的两卫星相对运动方程,分析了参考星轨道为椭圆的编队飞行成立条件,给出了队形设计方法。讨论了J2项摄动对椭圆编队队形的影响。通过改变两卫星偏心率之差Δe调整环绕星的偏心率以消除部分J2项摄动。仿真结果表明,采用该法设计椭圆轨道编队队形可减少主动控制,节省燃料。     

同步双小行星系统共振轨道设计

研究了同步双小行星系统中共振轨道的设计方法及演化规律。首先，基于双椭球模型建立探测器运动方程，并给出共振轨道初值选取方法。然后，利用改进并行打靶法，提出一种双小行星系统平面共振轨道两步修正方法。同时结合稳定性理论及分岔理论，给出双小行星系统三维共振轨道生成和延拓方法；最后，以双小行星系统1999KW4为例，设计了共振比为1∶1,1∶2,1∶3,1∶4,2∶3的平面和空间共振轨道族，并分析了共振轨道的特性及轨道周期和轨道能量的变化规律。给出的双小行星系统中共振轨道的设计方法具有普适性，对未来双小行星系统探测任务中的轨道设计具有一定的参考意义与借鉴价值。     

卫星轨道摄动频谱分析

本文基于Ｌｉｅ级数的方法对卫星轨道摄动进行了频谱分析。这种摄动是由地球引力场的所有带谱调和项和田谐调和项引起的。为了适用小偏心率轨道，采用了Ｈｉｌｌ变量来描述卫星轨道，并在所获得的谱分析式中保留了所有与偏心率ｅ无关的项。在这个基础上又经过简单的变换给出了卫星位置摄动三分量的谱分析式。     

多冲量轨道交会问题算法研究

针对平面内轨道交会问题给出了一种多冲量轨道控制算法,其融合了半长轴、偏心率、近地点幅角联合控制方法和轨道相位捕获控制方法。首先建立了等点火时长计算模型和理论起控时刻计算模型,在此基础上设计了控制序列自动调整算法。基于该算法,在给定测控条件、单次控制最大点火时长等约束条件下,可快速求解实现与目标航天器轨道交会的多冲量控制策略。最后,通过轨道交会问题算例,验证了算法的有效性。该方法可应用于轨迹捕获、航天器组网控制、航天器交会远程导引等航天场景。     

Analysis of the orbital motion of the asteroid Apophis’ satellite

We have analyzed the orbital disturbed spacecraft motion near an asteroid. The equations of the asteroidocentric spacecraft motion have been used with regard to three perturbations from celestial bodies, the asteroid’s nonsphericity, and solar radiation pressure. It has been shown that the orbital parameters of the main spacecraft and a small satellite with a radio beacon can be selected such that the orbits are rather stable for a fairly long period of time, i.e., a few weeks for the main spacecraft with an orbit initial radius of ~0.5 km and a few years before approaching Apophis with the Earth in 2029, for a small satellite at an orbit initial radius of ~1.5 km. The initial orientation of the spacecraft orbital plane perpendicular to the sunward direction is optimal from the point of view of the stability of the spacecraft flight near an asteroid.     

组合体与飞船联合轨道维持

通过组合体与飞船联合轨道维持解决了组合体和飞船轨道多特征参数的控制问题。建立了升交点经度、轨道高度和偏心率的控制方程以及基于时间关联特性的升交点赤经和制动点高度耦合控制方程和偏心率保持的双冲量耦合控制方程。结合组合体与飞船的飞行特点,制定了组合体轨道维持实现升交点赤经和轨道偏心率以及飞船轨道维持实现制动点高度的联合控制策略。耦合控制方程使得组合体和飞船轨道维持的控制量分配合理,融合了各次控制之间存在的耦合影响,设计了联合轨道维持策略迭代计算流程。基于神舟九号交会对接飞行过程,通过多组仿真算例校验了组合体与飞船轨道多特征参数的联合优化控制,具有较好的工程应用价值。     

Optimal flights to near-Earth asteroid

The spacecraft flights to the Near-Earth asteroid in order to give an impact influence on the asteroid, correct its orbit and prevent the asteroid’s collision with the Earth are analyzed.In the first part, the impulse flights are analyzed in the Lambert approach. There are determined the optimal trajectories maximizing the asteroid deviation from the Earth.In the second part, the flights with the chemical and electric-jet engines are analyzed. The high thrust is used to launch the spacecraft from the geocentric orbit, and the low thrust is applied for the heliocentric motion. On the base of optimal impulse transfer, the optimal low thrust trajectories are determined using Pontryagin maximum principle.The numerical results are given for the flight to the asteroid Toutatis. Parameters of the spacecraft impact on the asteroid are determined. The asteroid deviation from the Earth caused by the spacecraft influence is presented.     

单航天器无需机动对星座多星交会轨道全解

文献[1,2]已研究了单航天器无需变轨对Walker星座多星交会的轨道设计,在此基础上,依据交会点必是轨道交点的轨道特性,提出了轨道全解的解析法,可给出该轨道所能够交会卫星的最大数目,研究结果可为单航天器无需大机动变轨对星座多星接近的轨道应用提供理论参考。     

Equilibrium attitude and stability of a spacecraft on a stationary orbit around an asteroid

The stationary orbits around an asteroid, if exist, can be used for communication and navigation purposes just as around the Earth. The equilibrium attitude and stability of a rigid spacecraft on a stationary orbit around a uniformly-rotating asteroid are studied. The linearized equations of attitude motion are obtained under the small motion assumption. Then, the equilibrium attitude is determined in both cases of a general and a symmetrical spacecraft. Due to the higher-order inertia integrals of the spacecraft, the equilibrium attitude is slightly away from zero Euler angles. Then necessary conditions of stability of this conservative system are analyzed based on the linearized equations of motion. The effects of different parameters, including the harmonic coefficients C₂₀ and C₂₂ of the asteroid and higher-order inertia integrals of the spacecraft, on the stability are assessed and compared. Due to the significantly non-spherical shape and rapid rotation of the asteroid, the effects of the harmonic coefficients C₂₀ and C₂₂ are very significant, while effects of the third- and fourth-order inertia integrals of the spacecraft can be neglected. Considering a spacecraft on a stationary orbit around an example asteroid, we show that the classical stability domain predicted by the Beletskii–DeBra–Delp method on a circular orbit in a central gravity field is modified due to the non-spherical mass distribution of the asteroid. Our results are confirmed by a numerical simulation.     

Lorentz-force-perturbed orbits with application to J2-invariant formation

The Lorentz force acting on an electrostatically charged spacecraft in the Earth's magnetic field provides a new propellantless means for controlling a spacecraft's orbit. Assuming that the Lorentz force is much smaller than the gravitational force, the perturbation of a charged spacecraft's orbit by the Lorentz force in the Earth's magnetic field, which is simplified as a titled rotating dipole, is studied in this article. Our research starts with the derivation of the equations of motion in geocentric equatorial inertial Cartesian coordinates using Lagrange mechanics, and then derives the Gauss variational equations involving Lorentz-force perturbation using a set of nodal inertial coordinates as an intermediate step. Subsequently, the approximate averaged changes in classical orbital elements, including single-orbit-averaged and one-day-averaged changes, are obtained by employing orbital averaging. We have found that the approximate analytic one-day-averaged changes in semi-major axis, eccentricity, and inclination are nearly zero, and those in the other three angular orbital elements are affected by J₂ and Lorentz-force perturbations. This characteristic is applied to model bounded relative orbital motion in the presence of the Lorentz force, which is termed Lorentz-augmented J₂-invariant formation. The necessary condition for J₂-invariant formation is derived when the chief spacecraft's reference orbit is either circular or elliptical. It is shown that J₂-invariant formation is easier to implement if the deputy spacecraft is capable of establishing electric charge. All conclusions drawn from the approximate analytic solutions are verified by numerical simulation.     

基于地球引力变轨的日冕探测器轨道设计

研究了相对黄道面有一定倾角的探测器轨道设计的问题。以金星借力轨道设计为例,分析了轨道偏心率与轨道倾角增量之间的关系。根据C3匹配原理搜索了“地球-中间天体-地球”多天体交会的发射窗口。最后,设计了与地球轨道周期相等的三次地球借力轨道,该轨道倾角可以达到黄纬30°以上。理论分析及仿真结果表明:基于地球引力设计此类轨道时,应采用多天体交会方案,才能既保证地球逃逸能量低,又保证首次飞入地球影响球前轨道偏心率较大的双重指标;同时应采用多次地球借力方案,该方案具有每次借力后轨道偏心率逐渐减小的特点,当其减小到零时,再次借力后轨道倾角不会继续增加。     

飞行器围绕小行星的轨道运动

分析了飞行器围绕小行星轨道运动的特点，介绍了所建立的表述这一问题的理论基础。采用三种不同方法从几个侧面揭示了这一问题的本质特征。给出了所完成的研究这一问题的进展、结果和相互联系，其中包括轨道摄动、共振运动和周期轨道运动。这一问题的核心和难点是轨道的稳定性问题。