近小行星軌道動力學研究及其在引力拖車中的應用.pdf

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

2、傳統(tǒng)方法做適當?shù)母倪M或引入新的研究方法。
　　本學位論文針對近小行星航天器軌道動力學及其在引力拖車中的應用問題進行了研究，主要研究內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行了研究，總結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)值結果而不便于進行軌道分析和設計。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所拍攝的小行星形狀信息，因此能夠在小行星探測任務發(fā)射前獲得較高精度的引力場球諧系數(shù)。
　　然后，對質量較大小行星平衡點附近的軌道進行了研究，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軌道共振理論推導了穩(wěn)定區(qū)域寬度的公式。
　　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，該算法先應用Lindstedt-Poincaré方法求解halo軌道的三階解析解，再應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，并應用平均化方法處理運動方程消