《火星系統弱穩定邊界與捕獲軌道設計機理研究》是依託北京理工大學，由喬棟擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：火星系統弱穩定邊界與捕獲軌道設計機理研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：喬棟
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
深空探測是二十一世紀航天技術發展的重要領域之一。我國在探月成功後，火星將成為下一個重點探測目標。火星探測軌道可分為星際轉移、捕獲、環繞和著陸四類。本課題結合我國未來的火星探測計畫，著重研究由星際轉移軌道向火星環繞軌道轉變的火星捕獲軌道的設計方法與基礎理論。以火星系統的真實星曆和物理參數為依據，針對火星探測中的捕獲軌道與低能量轉移軌道設計問題，套用軌道動力學、動力系統與非線性動力學理論，系統地研究日-火系統的弱穩定邊界結構與捕獲軌道設計機理、火星捕獲後探測器軌道動力學的演化機理、火星內部天體系統（即火星與火衛一Phobos和火衛二Deimos）的弱穩定邊界與低能量轉移軌道設計機理，並探索低能量火星探測的新型軌道方案和設計方法，建立火星系統（包括進入火星和火星內部天體系統）弱穩定邊界捕獲條件和低能量轉移軌道設計理論與方法，為我國未來全面開展火星探測提供軌道動力學理論儲備。
結題摘要
本課題著重研究了火星弱穩定邊界與捕獲軌道設計問題。基於圓型與橢圓型限制性三體模型，給出了日-火系統的弱穩定邊界和穩定集，並在此基礎上重點研究了火星軌道偏心率、太空飛行器初始軌道偏心率對日-火系統弱穩定邊界構型以及日-火系統穩定集結構的影響，發現了火星附近的穩定捕獲集由中心穩定捕獲區域和兩個條形帶狀分支捕獲區域構成，隨著太空飛行器初始軌道偏心率的增大，中心穩定捕獲區域範圍減小，條形帶狀分支區域向X軸方向漂移。基於四體模型，給出了火星-火衛系統的弱穩定邊界和穩定集，發現了火衛一附近不存在順行軌道弱穩定邊界區域，逆行軌道弱穩定邊界和穩定集也無法覆蓋全域的現象，且隨著太空飛行器初始軌道偏心率的增大，弱穩定邊界和穩定集從火衛一的運行方向前後向兩側漂移；同時發現了火衛二附近的穩定集比較接近火衛二的表面，且隨著太空飛行器初始軌道偏心率的增大而出現無法覆蓋全域的現象。研究了火星與火衛系統經動平衡點捕獲形成穩定與不穩定軌道的參數映射關係，發現了形成火衛著陸軌道，環繞軌道，火星著陸軌道和火衛-火星共振軌道雅可比積分常數的臨界值，並建立了捕獲參數與捕獲軌道集的映射關係。研究了日-火系統動平衡點周期軌道穩定流形近火點（近拱點）與捕獲速度的映射關係，發現了兩類以往研究中尚未討論的流形分支，並針對這兩類流形分支，提出了多脈衝捕獲方法；同時基於真實星曆模型和動平衡點位形結構與逃逸捕獲流形分支，提出了一種低能量捕獲進入日-火系統的機會搜尋方法。此外，開展了多體系統低能量逃逸/捕獲與轉移軌道設計的研究。鑒於保守動力學場，捕獲與逃逸運動可逆的現象，提出了直接逃逸與間接逃逸兩種方式，分析了這兩種逃逸方式的特性，提出了基於逃逸機會分層搜尋的解析方法和經近拱點加速的間接逃逸軌道設計方法，並將其套用於探測小天體的任務。研究了四體系統逃逸/捕獲的軌道設計，提出了基於動平衡點附近運動龐加萊映射圖譜的單脈衝轉移軌道設計方法以及雙三體拼接的軌道設計方法，比較徹底的解決了四體系統“內逃逸”與“外逃逸”的問題，並將其套用於拉格朗日點的相關探測任務。
