多天體交會

為了提高探測器的利用率，經常要求在一次任務中實現探測器與多個天體的交會。

行星借力飛行技術可以降低從地球的發射能量，經過多次天體借力到達木星，並利用其較大的引力攝動效應，形成相對黃道面有一定傾角的日冕探測軌道。多天體借力飛行的軌道設計中，需要首先選擇合適的借力星體，以完成任務要求。在通過P-Rp圖獲得可能存在的行星交會方案的情況下，再通過能量等高線圖搜尋發射視窗和到達各個星體的時間，並在真實的天體力學模型下，對理論進行仿真和驗證，最終完成軌道設計。

基本介紹

• 中文名：多天體交會
• 外文名：Multiple encounter
• 學科：航空航天
• 類型：飛行術語
• 套用：多天體交會借力飛行
• 交會段：探測器受到天體的引力影響較大

背景

二十一世紀將是世界航天活動蓬勃發展的新世紀。為了適應國際航天領域發展趨勢，推動我國航天技術的進步，我國將從本國國情出發，繼續推進航天事業的發展，為和平利用外層空間，為人類的文明和進步做出應有的貢獻。國務院新聞辦公室在其發表的題為《中國的航天》的白皮書中指出，根據科學研究和提高綜合國力的現實需求，我國明確提出了“發展空間科學，開展深空探測”的發展目標，包括建立新型的科學探測與技術試驗衛星系列，加強空間微重力、空間材料科學、空間生命科學、空間環境和空間天文研究，以及開展以月球探測為主的深空探測的預先研究。近期月球探測正在實施當中，以後將陸續開展行星際的深空探測和研究。

軌道設計與最佳化技術是深空探測的關鍵技術之一，是進行深空探測任務首要解決的問題。我們可以設計從地球到達目標星的直接轉移軌道，也可以設計多天體交會的借力飛行軌道以節省燃料提高效率。此外，為了提高探測器的利用率，經常要求在一次任務中實現探測器與多個天體的交會。這就對多天體交會的軌道設計提出了挑戰。

深空探測巡航與交會階段

深空探測器從飛離地球到接近或著陸遙遠的小天體，其航行的距離遠、時間長。根據飛行特點，一般可把整個航行過程分為:飛離階段，巡航階段，交會階段和著陸階段，其中接近目標小天體時還可分為通過目標小天體附近和成為目標小天體的衛星兩種形式，分別稱為飛越階段和繞飛階段。

飛離階段指的是深空探測器從地球發射，脫離地球引力飛向地外空間的過程。目前多個國家關於飛離階段的技術已經比較成熟。由於飛離階段與地面距離較近，與地面基站的無線電通訊實時性和穩定性都較好，同時由於近地空間分布著用於導航的衛星，因此在飛離階段對自主導航的需求並不高。

巡航階段是深空探測中距離最遠，時間最長的飛行階段。巡航階段從脫離地球引力開始，到接近目標小天體所在區域結束，根據任務的不同，所需要的時間長短也不一樣。一般情況下，由於巡航階段只需要深空探測器作定向飛行，因此對定位的精度要求並不高，觀測定位的時間間隔通常以天為單位。同時由於巡航階段離地球較遠，礙於通信的實時性和穩定性問題，需要深空探測器進行自主導航。

當探測器發現小天體並需要接近小天體時，探測器受到小天體的引力影響較大，這時候探測器飛行進入了交會段。此時探測器不但要通過自主導航確定自身的位置、速度等狀態，還要獲取與小天體的相對狀態。控制器需要根據相對狀態下達推進指令，讓探測器與小天體相遇。

當探測器與地面達到一定的距離，飛行進入著陸段。著陸段不但需要考慮探測器與小天體質心的相對位置和速度，同時要考慮小天體的自轉角速度和引力勢能。探測器也必須要確保著陸點是在指定的位置。

多天體交會借力飛行

行星借力飛行技術可以降低從地球的發射能量，經過多次天體借力到達木星，並利用其較大的引力攝動效應，形成相對黃道面有一定傾角的日冕探測軌道。李志武通過多天體的P-Rp圖推測可能存在的多天體交會借力飛行方案，求解蘭伯特問題，根據圓錐曲線拼接法，搜尋能量等高線圖中匹配的C3，最後找出發射視窗。設計了EVEEJ的借力飛行方案，以較低的地球逃逸能量，經過木星借力後探測器軌道與黃道面的傾角達到28度。附加軌道機動調整進入木星的方位後，傾角達到71度，與EJ，EVMEEE方案進行比較，仿真結果表明，通過多天體交會借力可以大大節省發射能量，木星攝動效應對飛行器進入日兄探測軌道具有顯著影響.給出了一種太陽高緯軌道的設計方法，為進行太陽極劃時呆測活動的軌道設計提供參考。

多天體交會序列與視窗

多天體借力飛行的軌道設計中，需要首先選擇合適的借力星體，以完成任務要求。在通過P-Rp圖獲得可能存在的行星交會方案的情況下，再通過能量等高線圖搜尋發射視窗和到達各個星體的時間，並在真實的天體力學模型下，對理論進行仿真和驗證，最終完成軌道設計。

P-Rp圖

探測器飛越行星過程中，進入和飛出行星的引力影響球時，相對於行星的能量大小不發生變化，但是可以改變探測器飛行的方向，也可以改變相對於太陽的絕對速度。因此，根據相對於借力行星能量大小不變的特性，可以從能量的角度考慮到達口標星體方案的可能性。

給定行星和飛行器相對於該行星的雙曲線超越速度，由於轉角的不同，其借力後形成的日行軌道擁有不同的周期P和近日點Rp的組合，在(P，Rp)坐標系下,每一組相對應的P和Rp可表示為該坐標系中的一個點，這些點的集合構成一條曲線，曲線上所有點具有相同的速度v，故該曲線稱為v等高線，一條或者若干條等高線組成的圖象稱為P-Rp圖。

P-Rp圖只是從能量的觀點出發來尋找多天體交會借力的軌道，但是並沒有考慮行星之間的相對位置關係，是否真實存在借力的可能，還需要進一步搜尋實現該交會軌道的適當的行星位置關係，即地球發射和中間行星借力的視窗。

能量等高線圖

能量等高線圖是獲取深空探測借力飛行軌道的重要手段。給定發射和到達時間,根據精確星曆得到該時刻兩行星相對應的位置和速度，通過求解蘭伯特問題，可以獲得飛行器在發射和到達時刻的速度，進而得到飛行器發射所需的能量和到達借力天體時所具有的能量。