近小行星軌道動力學(xué)研究及其在引力拖車中的應(yīng)用.pdf

1、近年來，小行星探測受到了極大的關(guān)注，各航天大國紛紛實施或制定了各自的小行星探測任務(wù)，這些已經(jīng)實施或計劃中的航天任務(wù)推動了天體力學(xué)中一個嶄新領(lǐng)域---近小行星航天器軌道動力學(xué)問題的研究。小行星質(zhì)量小、形狀不規(guī)則、自旋復(fù)雜等特點使得近小行星區(qū)域內(nèi)航天器軌道動力學(xué)與傳統(tǒng)的大行星引力場中航天器軌道動力學(xué)存在很大差異，因此以大行星航天器軌道為背景建立的傳統(tǒng)軌道理論無法準(zhǔn)確地解決近小行星航天器軌道動力學(xué)問題。近小行星航天器軌道動力學(xué)問題的研究，須對

2、傳統(tǒng)方法做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)或引入新的研究方法。
　　本學(xué)位論文針對近小行星航天器軌道動力學(xué)及其在引力拖車中的應(yīng)用問題進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　首先，對不規(guī)則小行星引力場建模問題進(jìn)行了研究，總結(jié)了常用的小行星引力場建模方法及特點。球諧函數(shù)模型因缺少繞飛軌道數(shù)據(jù)難以得到精確的球諧系數(shù)，而多面體模型方法僅能給出數(shù)值結(jié)果而不便于進(jìn)行軌道分析和設(shè)計。為解決以上問題，提出一種基于多面體模型方法的不規(guī)則小行星引力場球諧系數(shù)

3、確定方法，此方法結(jié)合了多面體模型法與球諧函數(shù)法的優(yōu)點，以小行星的形狀數(shù)據(jù)作為確定其引力場球諧系數(shù)的信息源，可以充分利用地面天文觀測或已有掠飛任務(wù)所拍攝的小行星形狀信息，因此能夠在小行星探測任務(wù)發(fā)射前獲得較高精度的引力場球諧系數(shù)。
　　然后，對質(zhì)量較大小行星平衡點附近的軌道進(jìn)行了研究，為研究環(huán)繞小行星平衡點軌道運動的特性，提出基于一階解析解的繞小行星平衡點軌道運動研究方法。該方法在對擾動方程（平衡點附近的運動方程）線性化的基礎(chǔ)上求出

4、其一階解析解，并由此解析解分析了穩(wěn)定與不穩(wěn)定平衡點附近的軌道運動特點。針對不穩(wěn)定平衡點附近的軌道給出一種基于小推力發(fā)動機的軌道保持控制律，該控制律可以使航天器運動在由一階解析解給出的標(biāo)稱軌道附近。為確定穩(wěn)定平衡點附近穩(wěn)定區(qū)域的大小，本文采用1:1軌道共振理論推導(dǎo)了穩(wěn)定區(qū)域?qū)挾鹊墓健?br>　　隨后，對環(huán)繞小行星平衡點運動的特殊三維周期軌道（halo軌道）進(jìn)行了研究，由于平衡點附近強烈的非線性影響，解析法很難確定halo軌道，而數(shù)值搜索

5、算法對初始猜值的要求很高，難于收斂。為解決上述問題，求得繞高階引力場平衡點運動的halo軌道的精確解，提出了一種基于三階解析解的環(huán)繞小行星平衡點halo軌道混合搜索算法，該算法先應(yīng)用Lindstedt-Poincaré方法求解halo軌道的三階解析解，再應(yīng)用微分校正方法修正三階解析解給出的軌道初值，得到halo軌道的精確數(shù)值解。本文方法結(jié)合了解析法與數(shù)值法的優(yōu)點，因而既具有較高的計算效率又可以保證算法的收斂。
　　最后，分別對二體

6、系統(tǒng)及三體系統(tǒng)中的偏置軌道進(jìn)行了研究。對二體系統(tǒng)中的懸停軌道分析表明，引力拖車在工作過程中燃料消耗引起的質(zhì)量減小會造成其軌道失穩(wěn)。為保持引力拖車軌道的穩(wěn)定，本文提出了三種解決方法并分析了三種方法的軌道特點，比較了三種方法對小行星牽引效果的影響。為確定太陽-小行星-航天器三體系統(tǒng)中是否存在盤旋軌道，提出一種基于平均化思想的盤旋軌道研究方法，該方法采用考慮小行星引力的Hill方程來描述三體系統(tǒng)中引力拖車的軌道，并應(yīng)用平均化方法處理運動方程消