限制性三体问题共线平动点轨道近似解析解

随着深空探测成为航天领域的研究热点,与其密切相关的三体问题基础研究也日益重要,尤其是在深空探测任务设计中处于基础地位的共线平动点附近运动的研究,更是具有重要的工程应用价值。在圆型限制性三体问题下,对共线平动点附近运动近似解析解的研究已经较为全面,但在更接近真实情况、更具一般性的椭圆型限制性三体问题下,相应的研究却相对较少。针对此背景,参考借鉴圆型限制性三体问题的研究方法,首先根据平动点的特性计算出平动点的位置,然后将非线性三体动力学模型在共线平动点处线性化,最后结合线性系统理论,获得了椭圆型限制性三体问题下共线平动点附近运动的近似解析解,并将其与经典的圆型限制性三体问题下的近似解析解进行对比分析,仿真结果证明了方法的有效性,同时也表明所推导的椭圆型限制性三体问题解析解相比圆型限制性三体问题解析解具有更高的精度。     

RCD太阳帆航天器人工平动点轨道保持与控制

针对航天器平动点轨道保持问题,研究了含有反射率控制设备(RCD)的太阳帆航天器在日地系共线人工平动点处的轨道保持与控制,同时降低因频繁改变航天器姿态所带来的振动问题。首先,基于太阳帆圆型限制性三体问题,计算了RCD型太阳帆人工平动点位置,给出了太阳帆共线人工平动点三阶Halo轨道,并将其作为参考轨道;然后,将太阳帆动力学方程线性化,采用跟踪控制输出的方法对线性模型进行控制;最后,通过合理选择控制变量矩阵,将控制律代入非线性模型中进行轨道保持控制。仿真结果表明,通过控制RCD太阳帆反射率设备参数及姿态角,实现了长时间的Halo轨道保持,同时大幅减小了太阳帆姿态角的改变,从而减小了帆面振动,为太阳帆航天器长期轨道任务的实现提供了良好的理论依据。     

高轨卫星的轨道寿命

地球,月球和各大行星的卫星（自然卫星或人造航天器）运动,基本上可处理成考虑主星扁率的限制性三体问题,对于绕主星m1(作为中心天体）运动的高轨卫星,摄动源即主星m1的扁率（非球形引力修正项J2）和另一主星m2的引力（亦称第三体引力摄动）。这类卫星的轨道寿命主要取决于主星m1扁率的大小,卫星的高度和相对主星m1赤道面的轨道倾角,对于高轨卫星,当倾角较大时,轨道寿命将不会很长,由于第三体的引力摄动,轨道偏心率有变幅较大的长周期变化,在运动过程中,其值将会大到使得轨道的近星距rp=a(1-e)≤a,卫星落到主星m1,这里a是主星m1的赤道半径 。     

拉格朗日平动点之间的转移轨道设计

针对三体问题中平动点转移轨道设计问题,首先以Richardson三阶近似解为初值,采用微分修正法,计算出简单周期轨道;利用单值矩阵法,计算出简单周期轨道附近的不变流形.然后根据Broucke的简单周期轨道分类思想,利用地-月平动点之间月球附近的周期轨道作为中转,设计LL2附近的Lyapunov轨道,LL1附近的Lyap...     

双三体系统不变流形拼接成的低成本探月轨道

传统的探月轨道设计原理为二体模型框架下的Hohmann变轨理论,但1991年日本的Hiten探月器利用太阳的摄动,用比传统的方法更少的燃料完成了探月任务。利用三体问题非线性系统的不变流形设计了节省燃料的探月轨道。沿用JPL研究组的思路,将太阳-地球-月亮-航天器四体问题分解成太阳-地球-航天器和地球-月亮-航天器两个共面的圆形限制性三体问题,对Hiten类的探月轨道给出了更深刻的数学、力学解释;给出了流形的结构以及更合理的拼接方式;找到了发射位置、发射速度和拼接点;设计出了类似Hiten探月器的探月轨道,可比传统方法节省速度增量12%左右。结果证明了三体系统不变流形在登月轨道设计研究中的可行性和优越性。     

基于大幅值Lyapunov轨道的地月转移轨道设计研究

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转移问题转化为地球到大幅值Lyapunov轨道的转移问题。为保证探测器能够从近地轨道（LEO）切向逃逸到达大幅值Lyapunov轨道,通过计算其稳定流形,采用最近点作为Poincaré截面的终止条件求解探测器的初始状态,并根据初始状态完成地月轨道的设计。仿真结果表明,该地月转移策略相比于Hohmann转移,在同样只需要两次速度增量的前提下,约节约100 m/s的速度增量,该研究为地月转移轨道的设计提供了一种新思路。     

从地球到日-火系平动点轨道的转移

平动点轨道特殊的空间位置及动力学特征,使其在深空探测中具有重要的应用。以日-火系平动点轨道(Lissajous与Halo轨道)任务为目标,结合平动点轨道的不变流形理论,研究了小推力转移问题。首先给出了圆型限制性三体动力学模型下平动点附近不变流形(稳定和不稳定流形)高阶分析解以及相应的计算实例。接着以流形分析解为基础,建立了初始小推力轨道优化模型,并利用改进的协作进化算法求解初始小推力轨道。最后将初始轨道离散,采用多点打靶法将最优控制问题转化为参数优化问题,并用序列二次规划方法(SQP)求解。仿真结果证明轨道设计方法的有效性。     

基于准流形方法日地系L3点转移轨道设计

针对深空探测中轨道转移时间长且能量消耗较大的问题,提出基于准流形实现从地球停泊轨道到日地系L3点转移轨道的设计方法。在日地限制性三体问题模型下,在L1点或L2点Halo轨道上施加扰动推力,构造准流形,利用其非线性三体动力学特性,通过霍曼转移轨道与近地轨道进行拼接,使航天器进入准流形后能够无动力滑行到L3点附近区域。在准流形与L3点周期轨道交点,施加速度脉冲,使航天器进入相应周期轨道,从而完成轨道转移。仿真结果表明,利用该方法所得结果与基于不变流形的转移轨道相比,能将速度增量从4398m/s减少为4014m/s,并将转移时间从9年以上缩短到7.3年以内,有效地提高了航天器的工作效率。     

共线平动点的动力学特征及其在深空探测中的应用

首先系统地阐述了限制性三体问题中共线平动点的动力学特征,给出了这类平动点附近的中心流形（周期轨道和拟周期轨道）及双曲流形（稳定与不稳定流形）的计算方法,并在限制性三体问题模型下给出了相应的数值算例。在此基础上,进一步探讨了将探测器定点在共线平动点附近的条件和相应的轨道控制问题以及如何利用共线平动点的不稳定性实现节能过渡问题,并在太阳系多天体引力模型下给出了一些算例。     

椭圆三体问题下月球L2低能逃逸轨道设计

针对圆形限制性三体问题下求解月球探测器逃逸轨道时,不能充分利用月球椭圆公转动力学特性节约逃逸能量的问题,对动力学模型进行拓展,在椭圆三体问题下建立月球探测器轨道动力学方程与能量表达式。首先通过理论推导,求解了探测器逃逸所需的发射能量与逃逸过程中的轨道能量随月地椭圆相对运动状态的数学表达式,对其进行分析发现,同一环月轨道上出发的逃逸探测器所需发射能量与地月距离呈正相关,而逃逸过程中探测器轨道能量变化与地月相向运动速度呈正相关,从而得出在月球接近其近地点过程中发射逃逸探测器可以最大限度节约发射能量的结论。在此基础上,引入庞加莱截面法设计探测器最低能量逃逸轨道。通过寻找使逃逸轨道所在不变流形的庞加莱截面收缩为一点的发射位置与能量,求解不同地月相位下的逃逸轨道能量需求,进而迭代求解能量最优逃逸轨道。最终,通过对比仿真结果得到,月球真近角为283°时发射逃逸探测器将最节约能量,与理论推导的结果相吻合。相对于圆形限制性三体问题下推导的最低逃逸能量,采用椭圆三体模型设计的低能量逃逸轨道可以节约8%左右的发射能量,对于深空探测等任务来说具有明显优势。