深空探测低能量逃逸与捕获轨道设计研究

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1、深空探测低能量逃逸与捕获轨道设计研究王亚敏2015年1月中图分类号：V448.2UDC分类号：629.78深空探测低能量逃逸与捕获轨道设计研究作者姓名王亚敏学院名称宇航学院指导教师崔平远教授乔栋副教授答辩委员会主席唐胜景教授申请学位工学博士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月InvestigationonLow-energyEscapingandCapturingTrajectoriesforDeepSpaceExplorationMissionCandidateName：YaminWangSchoolo

2、rDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.PingyuanCuiAssociateProf.DongQiaoChair,ThesisCommittee：Prof.ShengjingTangDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnoogyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Janu

3、ary,2015北京理工大学博士学位论文摘要基于三体系统动平衡点与不变流形的低能量转移轨道在深空探测任务中的应用日益广泛。地-月系统/日-地系统L1/L2点是人类进入近地空间或者探测小行星及大行星的低能量枢纽。同时，太阳-行星组成的三体系统为行星低能量捕获提供了可能。在行星际转移轨道设计过程中，低能量特性体现在地-月系统/日-地-月系统逃逸段和太阳-行星系统捕获段，因此，基于三体/四体动力学模型对逃逸与捕获轨道特性进行研究，提出可行的轨道设计方法是低能量行星际转移轨道设计的重点。本学位论文结合国家重点基础研究发展计划(973项目)“行星表面精确

4、着陆导航与制导控制问题研究”、自然科学基金重点项目“深空探测中若干非线性动力学与控制问题”、自然科学基金青年项目“火星系统弱稳定边界与捕获轨道设计机理研究”和中国空间技术研究院项目“多任务深空探测轨道设计研究”，针对深空探测任务中的低能量逃逸与捕获轨道设计问题进行了系统的研究与分析。主要研究内容如下：针对三体系统逃逸的轨道设计问题，提出了两种逃逸方式：直接和间接逃逸。首E先，基于圆形限制性三体模型，构建逃逸脉冲与双曲超速V间的映射关系，分析两种逃逸方式的特性，获得了普适性的结论。然后，基于星历三体模型和圆锥曲线拼接，提出了多体系统中直接与间接

5、逃逸轨道的设计方法，并以小天体探测为例，对所提方法进行了验证。最后，针对直接逃逸方式，提出了一种基于逃逸机会分层搜索的解析方法。针对四体系统逃逸轨道的设计问题，提出了四体系统内逃逸与外逃逸的概念，并针对内逃逸，提出了一种基于动平衡点附近运动的庞加莱映射图谱的单脉冲转移轨道设计方法，并以日-地-月四体系统下月球向日-地动平衡点转移为例，对转移机会的分布、脉冲与动平衡点轨道幅值的映射关系等进行了分析。针对外逃逸，分析近拱点加速逃逸的轨道参数特性与分布区域，并以日-地-月四体系统下月球-小天体转移为例，搜索得到了比三体系统逃逸所需能量更低的转移机会。

6、针对三体系统的捕获轨道设计问题，基于该系统动平衡点的不变流形结构，提出了一种两脉冲弹道捕获轨道设计方法，有效解决了两类仅存在单次近拱点且高度不满足捕获约束要求的不变流形捕获轨道设计问题。该方法通过建立弹道捕获参数与系统Jacobi常数间的一维映射关系，来搜索可行的捕获机会。以日-火三体系统为例，通过I北京理工大学博士学位论文该方法得到了低能量的捕获方案，并拓展了可能的捕获机会。针对低能量逃逸与捕获在动平衡点任务轨道设计中的问题，以月球向日-地动平衡点转移为应用背景，基于四体系统内逃逸的轨道设计方法，提出了从月球逃逸飞向日-地平衡点转移轨道的重构

7、方法，研究并分析了逃逸脉冲与重构轨道机动的权衡选取问题；以日-地平衡点向小天体转移为应用背景，基于扰动法和主矢量理论，提出了从日-地平衡点飞向小天体的最优转移轨道设计方法，并研究发现“快转移”与“慢转移”两类轨道。针对低能量逃逸与捕获在行星际转移轨道设计中的问题，提出一种基于三体系统不变流形结构的二级搜索方法。该方法首先基于星历模型求解行星动平衡点附近周期轨道逃逸流形初始时刻与捕获流形末端时刻固定时的最优两脉冲转移问题，然后以逃逸流形初始时刻与捕获流形末端时刻为变量，得到基于逃逸与捕获流形的星际转移轨道解空间的全局特性。分别以地球-火星、地球-

8、金星的低能量转移为例，给出了相关的转移机会，并揭示出了星际动平衡点轨道间转移机会的类周期性。关键词：多体系统；低能量捕获轨道；低能量逃逸轨道；小天体探