《弱引力雙星體系統中探測器運動行為與軌道設計研究》是依託北京理工大學，由喬棟擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：弱引力雙星體系統中探測器運動行為與軌道設計研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：喬棟
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
深空探測是二十一世紀世界航天技術發展的重點領域之一。我國在完成月球探測工程之後，火星和小行星將成為下一階段的重點探測目標。本課題將結合我國未來的小行星探測計畫，著重研究雙體小行星系統中探測器的運動行為及軌道設計所涉及的方法與基礎理論。以雙體小行星系統的真實物理參數為依據，針對弱引力雙星體系統中多源擾動力作用下探測器運動行為與軌道設計問題，套用軌道動力學、動力系統與非線性動力學理論，系統地研究環境擾動力和主動控制力作用下雙星體系統小行星運動的演化規律與穩定性、雙星體系統中探測器周期軌道族及穩定性、探測器捕獲/逃逸及著陸軌道的存在條件及設計方法、主星與衛星之間的低能量轉移軌道設計機理，並探索弱引力雙星體系統中多源擾動力聯合作用下的新概念軌道設計方法，建立雙體小行星系統軌道設計理論與方法，為我國未來全面開展小行星探測提供軌道動力學理論儲備。
結題摘要
本項目著重研究了雙小行星系統中探測器的運動行為及軌道設計所涉及的方法與基礎理論。首先，基於雙橢球和多面體模型，建立了雙小行星自然運動的動力學方程，研究了雙小行星系統的穩定條件，討論了系統參數對穩定性的影響。研究發現隨著小行星短軸與長軸比值的增大，雙小行星系統將由不穩定平衡態轉變為Hill穩定狀態並最終達到能量穩定平衡態，而減小系統質量係數將破壞雙小行星系統的穩定狀態；環境擾動力對同步雙小行星系統的影響較弱，但會導致非同步雙小行星系統的軌道參數呈現周期性變化，且周期與公轉周期一致。同時，研究發現同步雙小行星系統存在平衡點，建立了平衡點位置與系統形狀參數間的映射關係，同時發現雙小行星系統的三角平衡點穩定性受系統質量係數和形狀參數的共同影響。其次，基於終端狀態集（圖）分析了雙小行星系統主星與子星附近的運動穩定性，發現在主星附近存在穩定的順行運動，而在子星附近存在穩定的逆行運動。通過匹配前向和後向終端狀態集可得經子星附近轉移至主星附近的彈道捕獲區域，並給出了捕獲與逃逸軌道設計方法。同時發現非同步系統中改變小行星之間的相對距離會顯著改變運動的穩定性，而小行星的自旋變化導致的形狀擾動使探測器軌道逐漸偏離標稱軌道。研究了小行星附近適合彈道著陸至小行星表面的空間區域與探測器參數範圍，並基於高階滑模製導設計了受控著陸軌道，考慮真實環境攝動評估了著陸性能。再次，改進了格線搜尋方法，研究了雙小行星系統內的共振軌道與全局周期軌道，討論了不同類軌道的運動範圍與穩定性。將雙小行星自然動力學與橢圓限制性三體動力學相結合，提出了非同步雙小行星系統的有界軌道設計方法。研究了雙小行星系統連續推力燃料最優轉移，將非線性動力學問題凸化並給出雙小行星之間低能量轉移軌道快速規划算法。研究了雙小行星系統內的自適應魯棒控制，可實現複雜環境下雙小行星系統中高精度軌跡跟蹤與誤差修正。最後，結合雙小行星自然引力和主動控制力，設計了基於脈衝機動的新型周期軌道，自由飛越軌道和偏置周期軌道等新型探測軌道，並套用於雙小行星系統探測任務設計，拓展了未來探測任務的軌道設計思路。
