《小行星引力場中考慮太空飛行器姿軌耦合效應的軌道動力學》是依託北京航空航天大學，由王悅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：小行星引力場中考慮太空飛行器姿軌耦合效應的軌道動力學
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：王悅
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在科學探測、撞擊防禦和資源開採等目標的推動下，小天體任務將成為未來航天任務的重要組成部分。與以往遠距離任務不同，在未來的近距離任務中太空飛行器將運行於小行星附近的複雜力學環境中，面臨動力學與控制的諸多新問題，其中之一是由極小的軌道半徑導致的顯著的太空飛行器姿軌耦合。本項目針對該問題，首次引入太空飛行器姿軌耦合攝動，以提高現有軌道動力學的精度。項目將深入研究小行星引力場中考慮太空飛行器姿軌耦合攝動的軌道動力學，研究內容包括：系統的平衡點位置及其隨太空飛行器姿態的變化軌跡；系統平衡點的穩定性及其對系統參數的依賴性；系統平衡點的穩定流形和不穩定流形及其隨太空飛行器姿態的變化規律；嘗試利用姿軌耦合攝動，提出通過改變太空飛行器姿態進行軌道控制的新方法。本項目將獲得一系列原創性成果，不僅能夠豐富太空飛行器動力學理論，揭示軌道運動的新性質和新現象，還能為未來的小行星任務設計、導航與控制技術提供新理論、新思路和新方法。
結題摘要
在科學探測、撞擊防禦和資源開採的推動下，小天體任務將成為未來人類深空任務的重要組成部分。與小天體探測任務不同，未來的撞擊防禦和資源開採任務將要求大型太空飛行器運行於小行星近距離附近。太空飛行器尺寸與軌道半徑的比值將比地球附近的傳統場景大四到五個數量級，導致顯著的太空飛行器姿軌耦合效應，是軌道動力學與控制的一個新問題。本項目針對該問題，首次在小行星近距離軌道動力學模型中引入太空飛行器的姿軌耦合攝動，以提高現有軌道動力學模型的精度，並研究新模型的動力學特性和軌道控制問題，主要研究內容和研究結果如下：1、提出了一種高精度的太空飛行器姿軌耦合攝動模型，把小行星和太空飛行器分別建模為多面體和一般剛體，可對小行星的不規則形狀精確建模。太空飛行器的引力勢和姿軌耦合攝動最終可表示為太空飛行器位置、姿態和慣性積分的表達式，並根據精度需要保留到太空飛行器的二階慣性積分，即慣性矩。2、推導並分析了姿軌耦合攝動的表達式和幅值大小，發現與小行星的非球形引力攝動相比，其顯著程度取決於太空飛行器與小行星尺寸的比值。對於未來的大型太空飛行器，姿軌耦合攝動將與小行星的非球形引力攝動同樣顯著。進一步將姿軌耦合攝動與太陽三體引力和太陽光壓力攝動比較，發現對於運行於小行星近距離附近的大型太空飛行器，姿軌耦合攝動將更為顯著，需要在高精度動力學建模和控制中加以考慮。3、提出了限制姿態的軌道動力學的概念，採用分析法和數值法計算了不同太空飛行器姿態下小行星赤道面內的非主軸平衡點、小行星主經度面內的非赤道平衡點和小行星主平面之外的面外平衡點，系統得到了平衡點的完整分布，並計算和分析了平衡點的穩定性和不變流形，考察了太空飛行器姿態的影響。4、通過選擇合適的太空飛行器姿態，可利用姿軌耦合攝動實現在特定平衡點的懸停。針對該套用，分析了引力梯度力矩帶來的角動量飽和和卸載問題，發現在太空飛行器姿控系統的工作範圍以內，並用數值仿真驗證了軌道懸停的可行性。研究結果為未來小行星附近大型太空飛行器的懸停控制提供了大量和分布廣泛的自然懸停位置。
