深空探測轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計方法研究及在小天體探測中的應(yīng)用.pdf

1、本學位論文結(jié)合863計劃項目“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”、“星際高速公路的低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計技術(shù)研究”、國家自然科學基金資助項目“深空探測轉(zhuǎn)移軌道機理與優(yōu)化方法研究”與我國首個小行星探測計劃構(gòu)想，針對深空探測轉(zhuǎn)移軌道與小天體探測目標選擇與軌道方案設(shè)計問題進行了深入研究。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　針對轉(zhuǎn)移時間自由的星際探測發(fā)射機會搜索問題，特別是小天體探測中的大規(guī)模發(fā)射機會搜索，結(jié)合 Gauss算法與變分原理，提出了

2、一種全局-局部協(xié)同搜索方法。該方法根據(jù)探測任務(wù)要求定義待搜索目標函數(shù)并確定搜索域，利用Gauss算法和星歷計算進行降維，結(jié)合變分原理與邊界條件推導出搜索所需的解析梯度函數(shù)，采用全局-局部協(xié)同搜索方法求解，解決了傳統(tǒng)方法計算量大，計算效率低的問題。同時，還提出了一種轉(zhuǎn)移時間固定的多脈沖轉(zhuǎn)移發(fā)射機會搜索方法。該方法結(jié)合最優(yōu)脈沖轉(zhuǎn)移的必要條件，由主矢量變化歷程尋找和判別中間脈沖，將直接轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射機會搜索問題的研究推廣到了多脈沖領(lǐng)域。

3、　　針對星際探測多目標交會轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計問題，結(jié)合 Tisserand原理、Prok-Chop圖法和“軟匹配”策略，提出了一種多目標交會的混合設(shè)計方法。該方法采用P r?曲線確定借力目標的序列，利用 Pork-Chop圖確定設(shè)p計參數(shù)的可行域和時序，避免了傳統(tǒng)方法對借力交會目標序列和初始軌道段的假設(shè)，通過“軟匹配”和懲罰策略尋找最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。通過對金星借力探測火星任務(wù)和ROSETTA任務(wù)轉(zhuǎn)移軌道方案的設(shè)計，驗證了該方法的正確性和有效性。<

4、br>　　研究了借力飛行及其衍生技術(shù)的機理，給出了借力飛行俘獲、逃逸和順行與逆行軌道轉(zhuǎn)變的條件、界定了有推力借力的俘獲區(qū)域、提出了氣動-借力轉(zhuǎn)移軌道方案設(shè)計的拼接條件。針對借力飛行技術(shù)，基于圓型限制性三體模型，深入研究了全相角借力飛行自由參量與軌道變化的隱含關(guān)系，給出了借力飛行俘獲、逃逸和順行與逆行軌道轉(zhuǎn)變的條件。同時，將對該問題的研究拓展到橢圓型限制性三體模型，分析了借力天體相位角和偏心率對借力飛行軌道的影響。針對借力飛行的衍生技術(shù)，

5、分別結(jié)合限制性三體與氣動模型，界定了有推力借力的俘獲區(qū)域、提出了氣動-借力轉(zhuǎn)移軌道方案設(shè)計的拼接條件。這些關(guān)系和條件將為星際轉(zhuǎn)移軌道方案設(shè)計提供重要準則。
　　針對星際轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計問題，提出了一種基于動平衡點不變流形結(jié)構(gòu)的星際轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計方法。該方法首先通過 Poincaré映射，將連續(xù)動力系統(tǒng)離散化并降低維數(shù)，由單值矩陣分析該系統(tǒng)，確定出與目標周期軌道（Halo軌道）相切的局部子空間，并將其拓展為不變流形。然后，由停泊軌道向動平

6、衡點目標周期軌道轉(zhuǎn)移，利用該系統(tǒng)的不穩(wěn)定流形逃逸以實現(xiàn)低能量的星際飛行。在小天體探測中的應(yīng)用顯示了該轉(zhuǎn)移方法的潛在優(yōu)勢。
　　結(jié)合本文研究內(nèi)容，針對我國首個小行星探測計劃構(gòu)想從目標選擇到轉(zhuǎn)移軌道方案設(shè)計進行了系統(tǒng)的研究計算，給出了一套行之有效的小天體探測目標選擇與軌道方案設(shè)計方法。首先基于最優(yōu)兩脈沖和借力機制可接近性評價方法對探測目標進行篩選與評估，得到26顆科學價值與工程可實現(xiàn)性兼具的目標星。然后，基于任務(wù)約束，采用大規(guī)模發(fā)射機

7、會搜索方法，確定（1627）Ivar小行星為目標星,（3288）Seleucus和（4660）Nereus為備選目標，針對 Ivar小行星，設(shè)計了直接和借力兩類轉(zhuǎn)移軌道方案，對比分析確定了2:1ΔV-EGA轉(zhuǎn)移軌道方案，該方案可有效降低探測任務(wù)所需的發(fā)射能量和總速度增量，使之滿足任務(wù)要求。最后，對2:1ΔV-EGA轉(zhuǎn)移軌道方案進行了拓展設(shè)計，實現(xiàn)了“一探三”Ivar小行星的多目標交會任務(wù)，并對其測控等軌道特性進行了分析，驗證了任務(wù)的可行