国外木星系环绕飞行任务规划研究

调研了国外3项典型的木星系环绕任务(伽利略号、朱诺号和木星冰卫星探测器(JUICE)),归纳总结了行星借力飞行、利用天体摄动演化轨道、高精度导航、限制近木点高度以及利用飞越实现任务拓展等任务规划方法。最后,提出了我国木星系环绕探测任务规划的初步设想,即以木星和木卫二为主要探测目标,采用金星-地球-地球的地木转移借力序列,以及基于木卫二、木卫三和木卫四借力方式开展木星系探测任务规划,实现飞掠、环绕和穿透多种方式的木星系探测任务。     

木星系及行星际飞越探测的多次借力飞行轨道设计研究

根据我国木星系及行星际穿越探测任务规划,瞄准工程方案可行,对使用多次借力的地木转移轨道及行星飞越飞行轨道进行了深入研究分析。首先,对星际飞越目标进行了探讨,明确了满足任务约束的星际飞越目标;其次,对行星际飞行序列进行了优选,从探测器发射日期、发射双曲剩余速度的平方(C3)、深空机动、木星到达C3和总的任务时间角度,对比分析了多个星际飞行序列,给出了最优序列设计结果;最后,基于工程约束,对探测器的连续发射机会进行了优化设计,给出了探测器连续8天、11天和16天发射所需的发射C3和深空机动大小需求。研究结果表明:在2029—2032年期间,木星系及行星际穿越探测任务最优的深空飞行序列为地球-金星-地球-地球-木星-天王星,最优的发射日期集中在2029年10月份。     

嫦娥五号月球轨道交会对接远程导引轨道设计与飞行实践

结合月球轨道交会对接任务的特殊性和中国探月工程的实际工程约束,介绍了嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计,包括轨道器调相和上升器远程导引两方面内容,重点介绍了月球轨道交会对接远程导引多脉冲调相轨道方案的选择、标称轨道优化设计、轨控策略和误差分析结果以及实际飞行轨道控制的情况。飞行实践数据分析表明：嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计是正确合理的,实际飞行的速度增量满足推进剂预算的要求,全飞行过程测控条件良好,交班点控制精度完全满足转自主控制的要求,有力保障了交会对接和样品转移的顺利完成。     

基于圆型限制性三体模型的借力飞行机理研究

针对星际探测中的借力飞行技术,基于圆型限制性三体模型,深入研究了全相位角情况下借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。在圆型限制性三体问题的假设下,通过正向与逆向积分相结合的方法,给出了圆型限制性三体系统中,通过借力飞行实现逃逸与俘获以及顺行轨道与逆行轨道转变的条件,并以地月系统为例,给出了通过月球借力飞行实现地月系统俘获与逃逸的借力飞行参数选择区域。同时,也给出了通过月球借力飞行实现轨道类型转变的参数变化范围。最后,讨论分析了借力飞行高度、速度和借力相位角对借力飞行轨道能量变化量的影响,进一步揭示借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。     

航天器交会两点边界值问题

从绝对运动和相对运动两方面讨论近地空间航天器交会中的两点边界值问题。其中，绝对运动涉及多圈Lambert问题，以Lagrange时间方程为研究工具，而相对运动Lambert问题应用C—W线性解。对圆轨道之间的双冲量转移，给定转移角与转移时间，研究最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法，提出满足最小变轨速度增量要求的多圈转移的工程图解法，并从工程应用出发，在飞行时间约束下，按最小速度增量要求，阐述航天器交会两点之间飞行轨道（轨迹）设计方法。这种方法将飞行轨迹划分为初始漂移段、轨道转移段与终端停泊段三部分，应用两点边界值问题的解，选择两次冲量机动时刻，使速度增量之和最小。模拟算例表明，这种方法对航天器交会设计是适用的、有效的。     

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。     

国外木星探测任务进展与分析

为了更好地规划我国木星探测任务,文章对国外木星探测任务的发展状况进行了调研分析。对比分析了伽利略号、朱诺号、木星冰月探测者和欧罗巴快帆任务的探测目标,并对上述任务采用的运载火箭、探测轨道与通信系统进行了分析总结。指出未来木星探测任务所需运载火箭地球同步轨道转移能力应在10 t以上,以对木卫展开全面覆盖探测,采用Ka频段作为下行数据载波。在上述分析的基础上,提出了我国木星探测的任务目标和初步规划的建议。     

基于椭圆型限制性三体模型的借力飞行机理研究

针对星际探测中的借力飞行技术,基于椭圆型限制性三体模型,深入研究了借力飞行 自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。在椭圆型限制性三体问题的假设下,通过正向和 逆向积分相结合的方法,重点研究了借力天体轨道偏心率和相位角对借力飞行逃逸和俘获区 域参数变化的影响,同时分析了借力天体轨道偏心率和相位角对借力飞行实现顺行轨道与逆 行轨道转变区域参数变化的影响,并以地月系统引力参数为例,分析了借力天体分别对应不 同轨道偏心率和相位角时,前向和后向飞越情况下,借力飞行对轨道能量和角动量的影响, 总结出了相应的变化规律。这些研究对于借力飞行轨道的设计与应用具有重要的参考意义。
     

火星探测器使命轨道捕获策略研究

分析了火星探测器使命轨道捕获策略研究需求,给出了三种可用的典型捕获策略,建立了速度纵向平面内的飞行动力学方程,对三种典型策略进行了飞行动力学仿真,给出了各策略完成捕获所需速度增量、任务耗时及过。通过对仿真结果的分析比较,得出研究结论为：直接制动捕获任务耗时及过载较小,但速度增量需求较大;多次穿越后捕获任务耗时较长,但速度增量需求和过载较小;一次穿越后捕获速度增量需求较小且任务耗时较短,但过载较大。     

太阳系边际探测飞行任务规划

针对太阳系边际探测任务，开展了星际多目标飞越的任务规划，采用小推力混合优化设计方法完成了基于借力飞行及电推进技术的行星际转移轨道联合优化设计，对比研究了面向日球层鼻尖和尾部探测的星际多目标探测飞行方案。研究表明，探测器在2024-2025年发射，可飞抵日球层鼻尖区域，在2027-2030年发射可飞抵日球层尾部区域，并可在2049年1月1日前飞离日心100 AU，实现太阳系边际空间的科学探测。其中日球层鼻尖探测任务探测器飞抵100 AU的位置位于鼻尖中心区域，可与旅行者1号、2号探测器形成有效互补。文章所用任务规划方法，可为太阳系边际探测的自主任务规划技术提供基础，相关研究成果能够为未来中国首次太阳系边际探测任务的实施提供有价值的参考。     

嫦娥二号卫星绕日运行轨道分析

嫦娥二号(Chang’e-2)卫星是我国首颗绕日运行的人造行星,文章在给定卫星轨道数据的基础上,对其绕日运行的轨道进行分析。分析了卫星与地球的交会周期,以及一个交会周期内卫星相对地球和太阳的距离变化情况。通过分析得出了嫦娥二号卫星返回地球的速度增量需求和可飞越的目标小行星。分析结果可为嫦娥二号卫星后续任务的论证规划提供参考。     

星际探测借力飞行轨道的混合设计方法研究

以金星借力探测火星为背景,针对传统借力飞行轨道设计方法中存在的问题,提出了 一种星际探测借力飞行轨道的混合设计方法。该方法在分析借力天体特性的基础上,采用等 高线图给出可能出现借力参数匹配的区域,提出“软匹配”策略进行轨道拼接,采用混合优 化设计方法得到轨道优化设计参数,有效地解决了传统方法对一些满足约束条件转移轨道方 案的遗漏问题。本文以2017-2018年金星借力探测火星为例给出了设计结果,设计参数与 M.Okutsu给出的一致,同时还得到了该参数区域一个新的借力轨道转移方案。此外,本文还 对2010-2018年采用金星借力探测火星的转移轨道进行了研究,给出了金星借力探测火星 较好的设计参数区域,这些研究对于未来可能的火星探测任务的设计与规划具有重要的参考 意义。
     

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。     

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。     

基于不同动力引力辅助模型的木星转移轨道设计

针对木星转移轨道设计中动力引力辅助模型选择问题展开了研究。首先,介绍了近心点机动和甩摆后机动2种动力引力辅助模型,给出了2种模型下最优脉冲机动速度增量的解算方法;然后,基于动力引力辅助模型,提出了包含引力辅助的行星际转移轨迹初始设计方法;最后,以木星探测任务转移轨迹设计为例,对比了不同动力引力辅助模型下探测器的燃料消耗情况。仿真结果表明:相比于甩摆后机动方式,近心点轨道机动方式更加节省燃料。基于近心点机动引力辅助模型,最终完成了金星-地球-地球引力辅助序列的木星转移轨迹初始设计,为我国未来采用引力辅助方式的深空探测任务提供了一定的参考。     

基于大幅值Lyapunov轨道稳定流形的地月转移方法

针对现有的基于不变流形地月转移轨道设计方法存在的转移时间长、需要额外速度增量的缺点,本文利用平面圆型限制性三体问题下大幅值Lyapunov轨道的稳定流形,提出了一种地月低能转移轨道设计方法。首先计算与给定近月轨道相切的大幅值Lyapunov轨道作为参考轨道;然后根据小偏差值对稳定流形的影响确定Lyapunov轨道初始点的取值范围;再通过最近点截面确定与给定近地轨道相切的Lyapunov轨道的稳定流形;最后根据稳定流形的切点调整近月轨道半径,通过一条稳定流形直接连接近地轨道与近月轨道来实现地月转移。仿真结果表明,该方法仅需要两次速度增量,在能耗较低的前提下大大减少了探测器渐近Lyapunov轨道时的飞行时间,为地月低能转移轨道的设计提供了一种新思路。     

利用地月间空间站的载人登月飞行模式分析

为提高空间站利用率，降低载人登月任务成本，有效开发地月空间，研究了基于地月空间不同轨道空间站的载人登月飞行模式。首先对比直接往返登月飞行模式，对基于空间站的载人登月飞行模式进行任务分析，通过空间站将载人登月任务解耦为载人天地往返任务和登月任务两部分；其次通过轨道设计和稳定性分析提出考虑登月任务需求的地月间空间站可运行轨道和停泊点；最后建立一套飞行模式评价模型，从速度增量需求、飞行时间、空间环境、登月任务窗口、测控条件、交会对接技术难度、后续任务支持性和任务可靠性方面对6种不同位置空间站的登月飞行模式进行分析和定量评价。评价结果表明基于L2点Halo轨道空间站的载人登月飞行模式为更优飞行模式。     

基于金星借力的黄道面外日冕探测器轨道设计

针对向太阳高纬发射日冕探测器科学任务,对借金星引力探测器轨道设计进行了研究。用圆锥曲线拼接法给出了地球逃逸轨道参数中的升交点赤径和近地点幅角的解析解,保证了快速设计轨道。分析数组飞往金星的日心过渡轨道发现:首次飞入金星影响球前探测器日心轨道偏心率较大,是保证多次借金星引力提高倾角的关键;当探测器日心轨道偏心率接近零时,借力后轨道倾角不会继续提高。设计了与金星轨道周期相等的三次金星借力轨道,倾角最终达到黄纬20°以上。     

静止轨道卫星远程交会策略设计

针对静止轨道卫星在轨服务任务，提出一种4脉冲远程快速交会规划方法，可在5圈内完成远程交会。调相策略设计中，通过对基于近圆偏差方程的变轨规划策略进行改进，设计得到了3脉冲调相方案。首先，固定第1和第2调相脉冲执行位置，对3个调相脉冲的速度增量及第3调相脉冲的执行位置进行设计优化；再固定第1调相脉冲，对第2和第3调相脉冲的速度增量和执行位置进行再次优化。轨道面调整设计中，通过求解轨道面节线位置，采用单一法向脉冲进行轨道面修正。数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

空天飞行器交会的轨道机动策略研究

在给出了空天飞行器(Aerospace Vehicle,ASV)的概念及任务构想之后,依据轨道动力学,结合ASV的特点,研究了ASV与目标在同一圆轨道上以及在共面不共轨圆轨道上的交会策略。其中,针对同一圆轨道上的交会分析了椭圆轨道机动和快速机动两种交会方案,对共面不共轨圆轨道上的交会讨论了霍曼轨道机动、双椭圆轨道机动以及快速机动3种交会方案。在每一种交会策略中均详细分析了交会所需的时间、速度增量以及轨线长度等。最后通过仿真分析了各种交会策略的优劣。