月球探測器低能量返回軌道問題研究

《月球探測器低能量返回軌道問題研究》是依託哈爾濱工業大學，由荊武興擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：月球探測器低能量返回軌道問題研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：荊武興

項目摘要

月球探測器返回是我國探月工程三期的核心任務，也是未來將月球基地生產的產品運回地球的關鍵步驟。探測器返回需要消耗大量的燃料，但是不同的返回途徑需要的燃料也不同。傳統的基於二體或雙二體理論設計返回軌道的方法均將太陽引力作為不利因素，按干擾來處理。如果設計的返回軌道形態使得客觀存在的太陽引力攝動能夠轉化為有利因素，代替部分推力功能，可以想像，會節省可觀的燃料，從而達到低成本探月之目的。. 本課題旨在探討月球探測器如何有效利用太陽引力返回地球的理論方法，考慮的是日-地-月-探測器四體問題。給出真實日地月星曆數據下探測器返回軌道的形態、返回視窗的一般性規律，返回燃料消耗與太陽位置的關係等，為我國探月三期以及後續工程的低成本非載人探月的返回軌道設計與軌道控制提供理論支撐，同時打破二體問題和三體問題假設，通過非共面非圓型四體問題的研究，推動非線性動力學理論的深入發展。

結題摘要

月地低能返回軌道由於其節能特性，可以增加月球返回載荷重量、節約發射成本，也可作為傳統返回軌道的故障替代模式，研究月地低能返回軌道對我國的深空探測工程具有顯著的理論和實踐意義。 首先，論文研究了月地低能返回軌道上飛行器的建模問題。此本項目對限制性三體問題進行擴展，提出在橢圓四體問題下研究探測器的動力學方程，並給出了探測器軌道能量表達式，而後利用不變流形理論，研究了探測器低能返回地球軌道所在的空間不變流形管路形態，為設計返回軌道提供了理論基礎。此外，為研究實際工程套用中的月地低能返回軌道設計與控制問題，項目使用標準星曆用於模擬月球與太陽的真實運動狀態。 第二，項目系統論證了月地低能返回軌道的普遍存在性與規律性。通過分析探測器低能逃逸月球影響球的能量需求和軌道形態，結合低能返回軌道的搜尋結果與返回軌道形式的分類研究，論證了月地低能返回軌道在自然界中的普遍存在性；在此基礎上，利用不變流形理論，分析研究了月地低能返回軌道的形成所需的日地月相位關係規律，給出了2020年全年滿足返回軌道形成條件的視窗分布。為設計低能返回軌道提供了基本參數和結論。 第三，項目研究論證了多種月地低能返回標稱軌道設計方法。項目提出了一種改進的流形拼接法用於設計滿足初始和終端需求的月地低能返回軌道。利用返回軌道所在的空間不變流形將軌道分為數段並給出分段軌道初始猜測，進而利用改進的多步打靶法對軌道分段進行疊代修正，求取滿足初始與終端約束的同時滿足分段平滑連線條件的完整月地低能返回軌道。仿真表明，使用該方法可以顯著提高算法的收斂特性與計算效率. 第四，項目研究了月地低能返回軌道的誤差傳播特性與中途修正策略設計方法。項目利用初始軌道偏差到再入點參數偏差的協方差分析，估計月地低能返回軌道對入軌偏差的敏感度，進而給出了無修正情況下探測器入軌精度需求。對於仍不滿足入軌精度的月地低能返回任務，項目通過分析再入點參數對軌道控制脈衝的敏感程度隨軌道位置的變化規律，提出了一種三點修正策略，分別在軌道不同位置對不同的再入點參數偏差進行修正，此方法對入軌偏差、測軌偏差以及修正執行偏差的情況具有良好的修正效果。 此外，項目對深空探測器有限推力軌道控制策略設計方法進行了分析研究，提出了一種結合偽譜法與虛擬衛星法的改進推力策略設計方法。