火星系统弱稳定边界与捕获轨道设计机理研究

深空探测是二十一世纪航天技术发展的重要领域之一。我国在探月成功后，火星将成为下一个重点探测目标。火星探测轨道可分为星际转移、捕获、环绕和着陆四类。本课题结合我国未来的火星探测计划，着重研究由星际转移轨道向火星环绕轨道转变的火星捕获轨道的设计方法与基础理论。以火星系统的真实星历和物理参数为依据，针对火星探测中的捕获轨道与低能量转移轨道设计问题，应用轨道动力学、动力系统与非线性动力学理论，系统地研究日-火系统的弱稳定边界结构与捕获轨道设计机理、火星捕获后探测器轨道动力学的演化机理、火星内部天体系统（即火星与火卫一Phobos和火卫二Deimos）的弱稳定边界与低能量转移轨道设计机理，并探索低能量火星探测的新型轨道方案和设计方法，建立火星系统（包括进入火星和火星内部天体系统）弱稳定边界捕获条件和低能量转移轨道设计理论与方法，为我国未来全面开展火星探测提供轨道动力学理论储备。

本课题着重研究了火星弱稳定边界与捕获轨道设计问题。基于圆型与椭圆型限制性三体模型，给出了日-火系统的弱稳定边界和稳定集，并在此基础上重点研究了火星轨道偏心率、航天器初始轨道偏心率对日-火系统弱稳定边界构型以及日-火系统稳定集结构的影响，发现了火星附近的稳定捕获集由中心稳定捕获区域和两个条形带状分支捕获区域构成，随着航天器初始轨道偏心率的增大，中心稳定捕获区域范围减小，条形带状分支区域向X轴方向漂移。基于四体模型，给出了火星-火卫系统的弱稳定边界和稳定集，发现了火卫一附近不存在顺行轨道弱稳定边界区域，逆行轨道弱稳定边界和稳定集也无法覆盖全域的现象，且随着航天器初始轨道偏心率的增大，弱稳定边界和稳定集从火卫一的运行方向前后向两侧漂移；同时发现了火卫二附近的稳定集比较接近火卫二的表面，且随着航天器初始轨道偏心率的增大而出现无法覆盖全域的现象。研究了火星与火卫系统经动平衡点捕获形成稳定与不稳定轨道的参数映射关系，发现了形成火卫着陆轨道，环绕轨道，火星着陆轨道和火卫-火星共振轨道雅可比积分常数的临界值，并建立了捕获参数与捕获轨道集的映射关系。研究了日-火系统动平衡点周期轨道稳定流形近火点（近拱点）与捕获速度的映射关系，发现了两类以往研究中尚未讨论的流形分支，并针对这两类流形分支，提出了多脉冲捕获方法；同时基于真实星历模型和动平衡点位形结构与逃逸捕获流形分支，提出了一种低能量捕获进入日-火系统的机会搜索方法。此外，开展了多体系统低能量逃逸/捕获与转移轨道设计的研究。鉴于保守动力学场，捕获与逃逸运动可逆的现象，提出了直接逃逸与间接逃逸两种方式，分析了这两种逃逸方式的特性，提出了基于逃逸机会分层搜索的解析方法和经近拱点加速的间接逃逸轨道设计方法，并将其应用于探测小天体的任务。研究了四体系统逃逸/捕获的轨道设计，提出了基于动平衡点附近运动庞加莱映射图谱的单脉冲转移轨道设计方法以及双三体拼接的轨道设计方法，比较彻底的解决了四体系统“内逃逸”与“外逃逸”的问题，并将其应用于拉格朗日点的相关探测任务。