火星軌道器動力學與穩定性研究

《火星軌道器動力學與穩定性研究》是依託清華大學，由寶音賀西擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：火星軌道器動力學與穩定性研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：寶音賀西
• 項目類別：面上項目

項目摘要

火星是人類行星探測的首選目標。我國探月成功後即將開展的火星探測活動是本課題的大背景。火星探測軌道類型可分為飛越、著陸和環繞三大類，本課題著重研究環繞類軌道。多數地球衛星使用太陽同步、靜止、凍結、臨界和回歸五種特殊軌道之一。因此，當研究火星軌道器動力學問題時，自然會提出火星上是否也存在此類軌道、是否存在更好的任務軌道、其條件是什麼、軌道壽命和穩定性如何等問題。此類軌道均利用引力攝動產生，而火星和地球的攝動有很大差別，不能把地球衛星的結論照搬到火星上。由於準確的火星軌道環境數據近10年才建立，對火星軌道器動力學與穩定性的系統性研究報導尚不多見。本課題以最新公布的火星軌道環境數據為依據，套用非線性動力學、現代控制欲最佳化理論，系統地研究環繞軌道動力學與穩定性，建立火星凍結、臨界、回歸、靜止、太陽同步軌道的存在條件，為未來開展全面探測火星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探測軌道動力學與穩定性問題。 以最新公布的火星軌道環境數據為依據，建立了高精度火星軌道動力學模型，考慮的因素包括：高精度非球形引力場模型（本研究採用了80x80階次的GMM-2B火星引力場模型）、火星大氣模型、太陽及行星攝動、光壓力攝動等所有主要的攝動力。在此基礎上發現了火星五種特殊軌道（太陽同步、靜止、凍結、臨界和回歸）的存在條件和設計準則，這是環火軌道理論的基礎性問題之一。詳細研究了火星凍結軌道的特性，首先根據低階模型求出近似凍結軌道，然後在全引力場模型下進行修正，發現了四種新的火星凍結軌道族，並給出了其穩定性判斷。對於火星靜止軌道，研究了靜止軌道的漂移周期和漂移幅度，給出了求解環繞火星靜止點周圍周期軌道、同宿/異宿連線軌道的方法及其穩定性判據。套用平均化方法對太陽等第三體攝動做了平均化處理，平滑了短周期項，給出了第三體攝動對軌道的影響機制。對臨界傾角的概念進行了拓展。與傳統的方法相比，在臨界傾角設計中引入了J4後發現了兩組新的臨界傾角和有時傳統的臨界傾角也發生大幅度變化的現象。 此外，開展了不規則引力場中運動行為與穩定性分析的研究。發現了計算不規則引力場中周期軌道的一般方法，並根據哈密頓系統拓撲結構，對各種周期軌道進了分類，給出了各類族周期軌道的穩定性。該方法可用於更一般性哈密頓系統的周期軌道計算問題。研究了不規則引力場中的一般軌道的分類和類型。根據軌道最終的命運，分類出了13種不同類型的軌道，包括：周期的、捕獲的、逃逸的、著陸的、拋出的等等。從而比較徹底地解決了不規則天體周圍軌道的運動特性和穩定性問題。