小天体附近的轨道动力学研究综述

小天体附近的轨道动力学是现代天体力学的一个重要研究方向,包含着丰富的物理现象和深刻的数学内涵;随着一系列小行星实地探测任务的深入开展,理解小天体附近的轨道运动规律也成为航天领域所面对的众多挑战之一。回顾了小天体研究和探测的历程,分析了小天体附近轨道动力学问题的基本特点和科学价值;详细介绍了航天动力学、行星学和非线性科学三个学科领域对该问题的讨论和研究进展,并列举了各领域中相关的热点问题;基于对上述研究现状的分析,尝试展望了该研究方向未来的发展趋势。     

载人小行星探测轨道设计

文章应用Lambert理论对载人小行星探测的轨道进行设计。结合轨道设计的基本条件与假设,建立了基于Lambert问题的轨道模型,并进行了仿真验证,结果证明模型正确有效。采用该模型,以发射窗口在2045年编号为89136的载人探测小行星A为例,给出了轨道设计的结果,同时对不同的故障情况下任务中止轨道及其特性进行了分析,对探测器应急返回能力进行了探讨。     

载人小行星探测目标选择与轨道优化设计

针对2020-2040年载人小行星探测任务,研究了探测目标选择与轨道优化设计问题。首先,针对已编目的近地小行星,综合考虑绝对星等、燃料消耗等多方面因素与约束,给出了适合载人探测任务的候选小行星序列;然后,构建了载人小行星探测任务轨道的设计模型,采用参数优化算法对探测轨道进行了设计;进一步,为了获得最优探测轨道,利用主矢量原理对探测轨道进行了优化。该研究可为载人小行星探测任务设计提供有价值的参考。     

小行星探测发展综述

小天体上保存着太阳系形成初期的原始成分,同时可能蕴含着地球生命与水起源的重要线索,是研究太阳系起源和演化历史的活化石。近年来,小行星探测已成为主要航天国家深空探索领域的重点发展目标之一。简要总结了国际上小天体探测历程,对小行星探测的研究和发展趋势进行了综述,重点探讨了未来小行星探测任务面临的主要关键技术,并对中国后续开展小行星探测活动提出了相关建议。     

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。     

低速溅射小行星表面采样的动力学仿真

开发了适用于小行星环境的大规模三维离散元程序DEMBody,针对低速射弹溅射表层风化层的小行星采样方案,仿真了相同质量不同形状的射弹在微重力环境下垂直射入颗粒床的过程,研究了溅射物质在采样器中的运动历程及最终收集质量与射弹形状的关系。结果表明,90°锥形射弹的采样效率最高。     

基于最小轨道交叉距离的小行星顺访探测目标预筛选方法

小行星探测有助于研究太阳系演化等重要科学问题,在深空探测任务转移途中实施小行星顺访探测可增加科学研究回报。直接通过轨道递推筛选小行星探测目标计算量大、效率低,针对该问题提出了基于最小轨道交叉距离的目标预筛选方法。在推导出适用于计算双曲线轨道的最小轨道交叉距离公式后,将此理论应用到小行星顺访探测目标筛选中。首先基于探测器与小行星轨道的形状、空间位置计算二者轨道在空间中的几何最近距离,预筛选出可能满足接近距离标准的小行星目标;然后基于轨道递推模型,筛选出真实最近距离小于可接近标准的目标小行星。仿真结果显示,基于最小轨道交叉距离的预筛选方法可有效减少计算量,降低计算时间,提高小行星顺访目标筛选的效率。     

载人小行星探测任务总体方案研究

设计了在近地轨道组装具有分组单元结构的载人深空飞船,包括核热推进单元、燃料储箱与供给单元、主动防辐射单元、人工重力单元、深空居住舱与多任务乘员舱等,给出了各个单元的尺寸与质量参数,并对主要单元的具体组成、功能和技术特点进行了分析。在此基础上,本文以编号4660的Nereus小行星为探测目标,设计了两脉冲转移初始轨道,并进行了轨道优化,得到了发射窗口和最优转移轨道。仿真结果表明,给出的最优两脉冲转移轨道单次施加脉冲在5km/s以内,单程转移时间在160d以内,能够满足未来能量较小的载人小行星探测任务。     

附着小行星的视线制导规律

提出了一种航天器附着(软着陆)小行星的制导与控制规律.为了保证垂直软着陆,事先规划了满足约束的理想视线与视线角轨迹,通过设计滑模变结构控制器跟踪理想轨迹,实现了在小行星表面垂直软着陆;证明了制导与控制规律的鲁棒性;最后通过数学仿真验证了提出的制导与控制规律的可行性.     

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。     

强不规则天体引力场中的动力学研究进展

小行星探测与彗星探测是深空探测的重要方面。一般来说,小行星和彗星因质量都不足以使得万有引力克服应力达到流体静力学平衡,而具有强不规则的外形。研究强不规则天体引力场中的动力学行为及其内在机制,是探测器被不规则天体捕获并对其形成近距离探测轨道的基础。从引力场模型和动力学行为两个方面综述了强不规则天体引力场中动力学的研究进展,在引力场模型的研究方面介绍了强不规则天体引力场建模的球谐函数摄动展开模型、简单特殊体模型及多面体模型的研究现状,在动力学机制的研究方面介绍了强不规则天体引力场中的周期轨道和拟周期轨道、平衡点、流形、分岔与共振以及混沌运动的研究现状,指出了这些方面研究的重点与难点。分析了强不规则体引力场中动力学的研究趋势。     

探空火箭定时定点入轨的一种制导控制规律

针对特定探测天体,给出了特殊用途的探空火箭与其实现空间交会的时刻与地点的计算方法.根据特定天体的运行轨道,发射前算出标称交会飞行轨道,装订在箭载计算机内.火箭发射后,利用箭载惯性导航系统确定自身当前的位置与速度,比对标称飞行轨道参数得出飞行偏差,通过控制火箭推力偏斜调整飞行轨道,使探空火箭在交会时刻到达交会点,并在交会时刻相对与惯性空间的速度为0.定义了研究所用的各种坐标系,建立了火箭飞行动力学方程.研究了标称飞行轨道最优交会点选取,交会时间与发射时间计算等问题.给出了发射后动力飞行段的制导控制规律,核心思想是将控制信号分解为时间控制、当地水平面上的海拔高度控制、南北控制与东西控制,通过设置偏置量减小关机后轨道摄动因素引起的漂移.利用计算机数值仿真验证了这种制导控制规律的可行性.     

附着小天体的动态面鲁棒制导与控制方法

以精确附着小天体表面的任务为背景,提出一种基于扰动观测器(DOB)和动态面控制的附着小天体的制导与控制方法。根据探测器的初始条件与终端着陆条件规划了标称轨迹,并将引力场建模误差、参数摄动和外部干扰等视为总扰动,结合动态面控制和DOB设计了标称轨迹跟踪控制器。分析总扰动估计误差的渐进收敛性以及闭环标称轨迹跟踪控制系统的稳定性,并确定控制器参数选取条件。数值仿真结果表明,所设计的DOB可以有效地估计并抑制总扰动且闭环标称轨迹跟踪控制系统具有良好的稳定性和控制精度。     

2020中美阿火星探测任务分析

2020年为火星探测大年,各国相继赶在发射窗口发射自己的火星探测器,截至目前成功赶上发射窗口的国家,按时间先后分别为阿联酋、中国和美国。给出了2020年火星探测发射和到达窗口的“猪排”能量图,从有效载荷、发射窗口、运载火箭、地火转移轨道、火星俘获及着陆、通信等方面,对3个国家发射的探测器进行了对比分析,给出2020年三国火星探测各环节的关键参数,并提取出共同点及不同的特殊之处。     

卫星对空间目标悬停的轨道动力学与控制方法研究

首先,给出了卫星悬停的轨道动力学模型,然后提出了悬停轨道的一种\"持续式\"的开路轨道控制策略,即通过在一段时间对轨道实施连续有限推力控制,使得在这段时间内卫星运行在新的悬停轨道上,而非开普勒轨道。最后,以地球静止轨道卫星为目标星,研究了悬停轨道的实施途径,并进行了数学仿真。仿真结果表明,在一段时间内对空间目标实施轨道悬停是可行的。     

利用绳系太阳帆减缓小行星自转的技术研究

提出一种利用太阳帆绳系系统逐渐减小小行星自转速率的方法。在系绳长度不变的情况下,利用太阳帆受到的太阳光压力使其始终保持与小行星同步,避免了由于小行星自转而引起的系绳缠绕问题。通过控制太阳帆使系绳始终拉紧,系绳中的拉力便可以持续提供一个与小行星自转方向相反的力矩,从而减小其自转速率。仿真结果表明,面积10⁶ m²的太阳帆,经过约86天可将小行星的自转消除,验证了该方法的有效性。     

GEO卫星快速发射入轨定点控制方法

提出了一种GEO卫星快速发射入轨定点方法,运载火箭将卫星发射进入GTO轨道后,由上面级或卫星自身在48h内快速定点到GEO轨道任意指定定点位置。考虑时间、测控等约束,在选定变轨策略基础上,以燃料消耗最小为目标,优化给出了快速入轨定点标称轨迹。采用无奇异的春分点根数描述轨道运动,基于最小二乘法给出了航天器在有限推力条件下变轨的闭环显式制导方法,控制航天器沿标称轨迹飞行。仿真算例表明,采用该变轨策略、轨道优化设计方法和制导律,可以完成GEO卫星快速入轨定点控制。