大氣-彈道捕獲式火星探測器的軌道構建與最佳化方法研究

《大氣-彈道捕獲式火星探測器的軌道構建與最佳化方法研究》是依託南京大學，由羅宗富擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：大氣-彈道捕獲式火星探測器的軌道構建與最佳化方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：羅宗富
• 依託單位：南京大學

項目摘要

火星探測是我國未來深空探測活動的重點方向。傳統的火星捕獲採用近火點衝量制動方式入軌，燃料消耗多，單點任務失敗風險高且對地球發射和火星捕獲視窗約束嚴格。本項目通過彈道捕獲和大氣制動的有機結合和無縫拼接，提出“大氣-彈道捕獲”方式來兼顧燃耗、風險和視窗三方面的要求。首先建立“盒-翼”構型探測器的軌道動力學模型，重點研究大氣-彈道捕獲軌道的構建方法及相應的解空間分布，通過分析弱穩定邊界區域的Δv槓桿效應，得到以燃料消耗為主、飛行時間為輔的分層最佳化策略，提出利用姿態偏航角修正軌道傾角的方案進一步降低捕獲燃耗，並藉助解析推導確定時間最優偏航角。該捕獲方式有望為未來火星或其他天體探測捕獲任務軌道設計提供新的理論依據和技術支撐。

結題摘要

本項目針對“盒-翼”探測器提出了一種利用大氣制動模式輔助彈道捕獲的低燃耗入軌方式，設計了一套將大氣制動與彈道捕獲相結合的方法，提出了基於脈衝修正和姿態偏航角的兩種軌道傾角調整策略，並解析推導了最優偏航角的選取方法；將所提方法套用於火星捕獲任務、小行星採樣返回任務和地球—金星探測任務。仿真結果表明：大氣制動與彈道捕獲相結合的入軌方式能夠大幅降低將探測器捕獲到目標天體繞飛軌道的燃耗。考慮到大氣制動方式時間過長，本項目又針對飛船式探測器提出了一種利用大氣捕獲模式輔助彈道捕獲的低燃耗入軌方式，設計了一套將大氣捕獲與彈道捕獲相結合的方法，提出了一種半解析的近拱點動壓快速計算方法。仿真結果表明：該入軌方式不僅能夠大幅降低單次大氣穿越的熱壓峰值，減輕熱防護系統質量，而且能夠規避傳統大氣捕獲的“單點任務失敗”風險。本項目拓展了彈道捕獲的套用，將其與大氣制動/大氣捕獲/大氣進入相結合，實現了以較低燃耗將探測器捕獲到大橢圓弱穩定軌道或任務圓軌道，可為我國未來開展的深空探測任務提供理論支持。