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。     

Encounter trajectories for deep space mission ASTER to the triple near Earth asteroid 2001-SN263. The laser altimeter (ALR) point of view

In cooperation with Russia, the Brazilian deep space mission ASTER plans to send a small spacecraft to investigate the triple asteroid 2001-SN263. The nearest launch opportunities for this project include June 2022 and June 2025. One main exploration campaign is being planned with focus on the largest asteroid (Alpha). Among the instruments under development, a laser altimeter (named ALR) was preliminarily designed and presented in 2010–2011. Many studies to define mission and instruments requirements were performed aiming at the characterization of important issues for the successful realization of the mission. Among them, the identification of a suitable trajectory that could be followed by the ASTER spacecraft in the encounter phase, when the main campaign will take place. This paper describes the effort undertaken with focus on the laser altimeter operation. Possible encounter trajectories were modelled and simulated to identify suitable approach parameters and conditions allowing the accomplishment of the intended investigation. The simulation also involves the instrument operation, considering approach geometry, attitude, relative motion, time/date, and the dynamics of the main asteroid. From the laser altimeter point of view, keeping in mind the desired coverage results (50% minimum surface coverage of asteroid Alpha, complying with horizontal and vertical resolution requirements), results point out crucial features for the encounter trajectory, like the need for a small inclination (10^-6 degrees; with respect to the asteroid's orbit), the most favourable spacecraft positioning (between the Sun and the asteroid) and pointing condition (back to the Sun), the minimum amount of achievable surface coverage (58%, focused on central areas), and the most proper time to conduct the main campaign (January 2025). Concerning the instrument, results offer refined values for divergence angle (500 to 650 μrad, half-cone), pulse repetition frequencies (from 1/20 to 1 Hz), and consequent data generation rates. A simulation tool that can use any 3D generated trajectories as input data was created for the analyses presented here. Although created for the ALR in this mission, this simple analysis tool can be adapted to other instruments in this or other missions.     

深空撞击载荷总体技术分析与效能仿真

以近地小行星2016HO3为深空撞击目标开展科学探测,从爆炸成型弹丸技术、安全可靠爆炸技术、撞击载荷分离技术、撞击效能仿真技术等7个方面系统详细地进行了基于聚能爆炸成型弹丸的撞击载荷技术体系解析与技术内涵阐述,给出了深空撞击载荷初步总体设计方案;通过弹丸撞击靶板的数值模拟仿真,得到了撞击速度在0.2～0.4 cm/μs...     

潜在威胁小行星碰撞防御的计算与分析

研究了采用碰撞的方式进行小行星防御的动力学问题。采用多面体模型来建立小行星的外形模型,以碎石堆模型来建立小行星的结构模型,计算了小行星受到与其密度和材质相同的球体高速碰撞过程和碰撞后的碎石分布。计算过程在考虑了小行星与碰撞球体的接触形变以及小行星内部组成碎石堆的接触形变条件下,计算了碎石堆内部的相互引力、法向接触力、切向静摩擦力、切向动摩擦力和滚动摩擦力矩。以小行星101955 Bennu(中文名贝努)为对象计算了潜在威胁小行星的碰撞防御过程的动力学行为。结果显示:采用高速碰撞的方法进行小行星防御可以有效地将小行星撞成大量碎小的石块,且该方法具有核爆的方法不可比拟的优势,即对空间环境无污染。     

双体小行星系统平衡态与稳定性研究

由于双体小行星独特的运动形式可为行星的演化提供重要线索,因而成为小行星探测中的热点目标。基于双椭球体模型研究了双小行星系统的相对运动、平衡态及稳定性。首先基于双椭球的全二体模型建立了双星系统相对运动的动力学方程;其次利用拉格朗日方程,通过求解系统角动量和能量,建立了双星系统平衡态对应的状态约束;最后给出了通过零速度状态曲面判断双星系统平衡态稳定性的一般性方法,在此基础上分析了小行星物理参数变化对系统平衡态稳定性的影响。研究可为未来双体小行星系统探测任务中的轨道设计与控制提供重要的理论参考。     

基于Terminal滑模的小行星探测器着陆连续控制

针对弱引力场不规则小行星探测器安全下降与着陆,提出了一种基于比例微分(PD,Proportional plus Derivative)及非奇异Terminal滑模的连续控制方法.在着陆点坐标系下推导了探测器的动力学方程,设计了开环燃料次最优多项式标称轨迹制导方法.针对下降和着陆两个不同阶段提出了PD和非奇异Terminal滑模变结构连续控制方法.将PD控制的易操作性与非奇异Terminal滑模控制收敛速度快、调整时间短有效结合,保证了探测器安全着陆.仿真结果表明了提出方法的可行性和有效性.     

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。     

一种小行星探测陆标导航方法

针对小行星探测下降着陆段精确相对导航问题,提出了一种基于Stereophotoclinometry(SPC)陆标的相对导航方法.该方法先采用SPC光照模型渲染陆标的预测图像,再利用双线性插值从观测图像中生成陆标的提取图像.通过组合相关匹配实现预测图像与提取图像的高精度匹配,得到陆标中心点对应观测图像位置,即可利用N点透...     

载人小行星探测的总体方案设想

载人探测近地小行星的工程规模和技术难度介于载人探月和载人火星探测之间,是人类开展载人火星探测和飞向更遥远深空的跳板,对于航天技术的发展和科学问题的探索有着极其重要的意义。在调研国外载人小行星探测方案设想的基础上,结合我国航天技术现状和发展趋势,提出了一种载人小行星探测的总体方案设想,并梳理了载人小行星探测的关键技术。研究成果可以作为我国载人小行星探测任务论证和设计的有益参考。     

小行星探测用双谱段相机设计

基于DSP+FPGA架构,采用全透式光学系统及非制冷红外探测器和CMOS探测器,设计并实现了一种轻小型双谱段相机。该相机同时具备红外和可见光成像能力,可作为小行星探测用光学敏感器的原型机,也可作为微小卫星的光学载荷。首先,建立了双谱段相机的技术指标体系;其次,论述了相机的组成和基本工作原理;再次,详细阐述了相机的光学系统和电子学设计;最后,介绍了原理样机的研制情况。