太陽帆軌道姿態動力學與控制研究

《太陽帆軌道姿態動力學與控制研究》是依託清華大學，由龔勝平擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：太陽帆軌道姿態動力學與控制研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：龔勝平
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

太陽帆太空飛行器在很多方面較傳統太空飛行器具有很大的優勢。首先，太陽帆利用光壓力作為動力，理論上無需攜帶推進劑。其次，太陽帆能產生很多特殊軌道，這些軌道是執行很多任務的理想場所。太陽帆的動力學與控制問題是實現太陽帆任務的關鍵技術之一，其研究成果可以為太陽帆在工程上的實現奠定理論基礎。與傳統太空飛行器相比，太陽帆的動力學與控制將會面臨很多新的問題。首先太陽帆的軌道與姿態是相互耦合的，太陽帆的軌道控制是通過控制太陽帆的姿態實現的。本項目研究目標是藉助動力學分析掌握太陽帆在軌的動力學的特性，研究有效的太陽帆控制方式，包括控制器的設計和實現。大尺寸的太陽帆在製造和動力學方面都面臨太大的挑戰，利用小帆編隊實現大帆的功能是解決問題的一種方案。借鑑課題組在深空探測編隊飛行動力學與控制方面的研究經驗，本項目進行編隊太陽帆之間相對運動的動力學特性定性分析。最後，研究利用太陽帆不變流形進行軌道轉移的方法。

結題摘要

該基金系統的研究了太陽帆動力學與控制問題，解決了其中的幾個關鍵問題。首先，太陽帆的軌道與姿態是相互耦合的，太陽帆的軌道控制是通過調節太陽帆的姿態實現的。項目通過對姿態軌道耦合動力學進行分析，研究了耦合系統穩定的條件，研究表明可以通過設計太陽帆的構型可以使得太陽帆的軌道和姿態同時穩定，並且通過幾種不同的設計驗證了該結論。另外，第一次提出了太陽帆不變流形的概念，結合太陽帆的動力學特性，分析了太陽帆不變流形的特點，指出太陽帆不變流形與傳統太空飛行器不變流形之間的聯繫與區別，給出了太陽帆不變流形的套用，包括利用不變流形設計從地球到人工拉格朗日點的轉移軌道、人工拉格朗日點之間的轉移軌道以及人工拉格朗日點與經典拉格朗日點之間的轉移問題。另一方面，大尺寸的太陽帆在製造和動力學方面都面臨太大的挑戰，利用小帆編隊實現大帆的功能是解決問題的一種方案，通過分析太陽帆相對運動的動力學特性，研究了不同的太陽帆軌道附近的相對運動的動力學特性，給出了相對運動穩定的條件，對於不穩定的情況，研究了相對運動的控制方法。對於日心和行星懸浮軌道附近的編隊，討論了幾種簡單的控制律下懸浮軌道附近相對運動的穩定性。對於地磁尾探測軌道，研究了周期軌道附近的自然編隊，由於該周期軌道的周期與軌道的長半軸、偏心率和軌道傾角有關，因此，自然編隊的條件非常複雜，給出了幾種特殊的自然編隊構型的條件。同時，研究了非自然編隊情況，討論了利用太陽帆的姿態進行編隊控制、利用姿態和太陽帆光壓因子進行控制的方案。在太陽帆的套用方面，研究了太陽帆在改變小行星軌道方面的套用，提出了三種全新的改變小行星軌道的方法，第一種是利用小的太陽帆編隊對小行星的引力改變小行星的軌道，指出了該方法的優缺點。第二種方法是利用太陽帆匯聚太陽光使得小行星表面的物質蒸發對小行星產生推力改變小行星的軌道，分析了該系統的動力學與控制難題，並提出了解決方案。第三種方法是利用太陽帆逆行軌道實現與小行星頭對頭的碰撞，碰撞速度可以達到100km/s以上。通過該基金的研究，解決了太陽帆動力學與控制方面的幾個難點問題，同時，提出了太陽帆的一些新的套用，為太陽帆工程化奠定了基礎。