弱引力双星体系统中探测器运动行为与轨道设计研究

Deep space exploration is one of the important research fields of world aerospace technology development in 21st century. After accomplishing the lunar exploration, Mars and asteroid will become the prior targets for Chinese next stage exploration mission. This project, connecting with future asteroid exploring plan, will focus on the design method and theory of motion behavior and flight trajectory of spacecraft in binary asteroid system. On the basis of real physical parameters of binary asteroid system, we investigates systematically evolution and stability of binary asteroid system, family of periodic orbits and stability of spacecraft, capture and escape trajectory and landing trajectory, low-energy transfer trajectory between primary and satellite by using the theory of orbital dynamic, dynamic system and non-linear dynamics. The project also tries to explore new concept trajectory design method in weak gravity binary asteroid system under multiple perturbation forces. The goal of this project is to establish trajectory design theory and method in binary asteroid system and provides reference for future asteroid exploration mission.

深空探测是二十一世纪世界航天技术发展的重点领域之一。我国在完成月球探测工程之后，火星和小行星将成为下一阶段的重点探测目标。本课题将结合我国未来的小行星探测计划，着重研究双体小行星系统中探测器的运动行为及轨道设计所涉及的方法与基础理论。以双体小行星系统的真实物理参数为依据，针对弱引力双星体系统中多源扰动力作用下探测器运动行为与轨道设计问题，应用轨道动力学、动力系统与非线性动力学理论，系统地研究环境扰动力和主动控制力作用下双星体系统小行星运动的演化规律与稳定性、双星体系统中探测器周期轨道族及稳定性、探测器捕获/逃逸及着陆轨道的存在条件及设计方法、主星与卫星之间的低能量转移轨道设计机理，并探索弱引力双星体系统中多源扰动力联合作用下的新概念轨道设计方法，建立双体小行星系统轨道设计理论与方法，为我国未来全面开展小行星探测提供轨道动力学理论储备。

本项目着重研究了双小行星系统中探测器的运动行为及轨道设计所涉及的方法与基础理论。首先，基于双椭球和多面体模型，建立了双小行星自然运动的动力学方程，研究了双小行星系统的稳定条件，讨论了系统参数对稳定性的影响。研究发现随着小行星短轴与长轴比值的增大，双小行星系统将由不稳定平衡态转变为Hill稳定状态并最终达到能量稳定平衡态，而减小系统质量系数将破坏双小行星系统的稳定状态；环境扰动力对同步双小行星系统的影响较弱，但会导致非同步双小行星系统的轨道参数呈现周期性变化，且周期与公转周期一致。同时，研究发现同步双小行星系统存在平衡点，建立了平衡点位置与系统形状参数间的映射关系，同时发现双小行星系统的三角平衡点稳定性受系统质量系数和形状参数的共同影响。其次，基于终端状态集（图）分析了双小行星系统主星与子星附近的运动稳定性，发现在主星附近存在稳定的顺行运动，而在子星附近存在稳定的逆行运动。通过匹配前向和后向终端状态集可得经子星附近转移至主星附近的弹道捕获区域，并给出了捕获与逃逸轨道设计方法。同时发现非同步系统中改变小行星之间的相对距离会显著改变运动的稳定性，而小行星的自旋变化导致的形状扰动使探测器轨道逐渐偏离标称轨道。研究了小行星附近适合弹道着陆至小行星表面的空间区域与探测器参数范围，并基于高阶滑模制导设计了受控着陆轨道，考虑真实环境摄动评估了着陆性能。再次，改进了网格搜索方法，研究了双小行星系统内的共振轨道与全局周期轨道，讨论了不同类轨道的运动范围与稳定性。将双小行星自然动力学与椭圆限制性三体动力学相结合，提出了非同步双小行星系统的有界轨道设计方法。研究了双小行星系统连续推力燃料最优转移，将非线性动力学问题凸化并给出双小行星之间低能量转移轨道快速规划算法。研究了双小行星系统内的自适应鲁棒控制，可实现复杂环境下双小行星系统中高精度轨迹跟踪与误差修正。最后，结合双小行星自然引力和主动控制力，设计了基于脉冲机动的新型周期轨道，自由飞越轨道和偏置周期轨道等新型探测轨道，并应用于双小行星系统探测任务设计，拓展了未来探测任务的轨道设计思路。