《細長形小行星引力場拓撲動力學與軌道控制研究》是依託北京理工大學，由曾祥遠擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：細長形小行星引力場拓撲動力學與軌道控制研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：曾祥遠
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
小行星探測涉及宇航科學與技術、控制科學與工程、力學與天文學等多個學科，具有重要的科學意義，是當前深空探測領域的國際前沿和熱點問題。探測器在小行星附近運動形態複雜多樣，會同時受到中心引力、不規則形狀攝動力和快速自旋耦合作用、以及太陽光壓攝動的影響等，容易與小行星發生碰撞或逃逸。因而，太空飛行器探測軌道的設計與控制問題成為目前研究的難點。其中，小行星引力場內自然周期軌道的存在性及穩定性則是軌道動力學領域研究的重點。鑒於此，本項目將以具有典型不規則外形的細長形小行星為突破口，揭示其引力場拓撲動力學特性，如平衡點附近的不變流形與局部(擬)周期軌道、大範圍周期軌道及其拓撲結構等。此外，本項目將系統研究連續小推力太空飛行器在細長形小行星附近的可行懸停軌道，包括慣性系懸停和本體系懸停。鑒於小行星附近軌道大多不穩定，項目中將分別探究自然周期軌道與懸停軌道的閉環穩定控制律，為我國未來小行星探測提供理論儲備。
結題摘要
日本隼鳥號近地小行星採樣返回任務與歐空局羅塞塔彗星著陸探測任務將世界範圍內小天體航天探測推進到新階段。為深入理解小天體不規則引力場內飛行力學特性，項目選取細長小天體為研究對象，深入研究了小天體引力場建模、引力場內周期軌道及其性質、懸停飛行與穩定控制、以及表面運動動力學等問題。在引力場描述方面，提出了新型極子棒簡化模型，給出了五類拓撲結構及其對應系統參數，詳細討論了模型引力平衡點分布及其穩定性。改進了偶極子模型，考慮二階項對模型的影響，拓展了簡化模型體系。提出了引力梯度近似法和平衡點位置逼近法，建立了極子棒等簡化模型與多面體模型間聯繫，引力場近似精度較以往研究至少提高一個數量級。基於分層格線搜尋算法和最優控制方法等搜尋了細長小天體引力場中多族周期軌道，包括垂直李雅普諾夫軌道等平衡點局部周期軌道、平面近圓周期軌道等大範圍繞飛軌道、以及異宿連線軌道等。詳細討論了小天體懸停飛行問題，包括慣性懸停和本體懸停，以433 Eros小行星以及65803 Didymos雙小行星系統為例，基於滑模控制和模糊控制方法求解了閉環控制律，仿真實現了穩定飛行，給出了不同控制力幅值情況下可控穩定飛行區域。受羅塞塔任務菲萊著陸器在67P彗星表面以外彈跳運動的啟示，項目採用多面體模型分析了質點在小天體表面自由運動的特性，以67P彗星和101955 Bennu小天體為例開展了仿真分析，探討小天體表面物質演化規律，發現零初速度的粒子在小天體引力和自轉共同作用下，有朝著有效勢低的地方運動的趨勢。以上研究有助於人們更好地理解不規則引力場內的奇特動力學性質，為航天探測提供重要的理論指導。在上述研究基礎上，設計了一款行波式移動機器人，分析了機器人運動學和動力學特性，採用3D列印技術製作了機器人實物並開展了實驗研究，以期為我國未來小天體表面巡視探測提供技術支撐。
