月球探测器低能量返回轨道问题研究

月球探测器返回是我国探月工程三期的核心任务，也是未来将月球基地生产的产品运回地球的关键步骤。探测器返回需要消耗大量的燃料，但是不同的返回途径需要的燃料也不同。传统的基于二体或双二体理论设计返回轨道的方法均将太阳引力作为不利因素，按干扰来处理。如果设计的返回轨道形态使得客观存在的太阳引力摄动能够转化为有利因素，代替部分推力功能，可以想象，会节省可观的燃料，从而达到低成本探月之目的。. 本课题旨在探讨月球探测器如何有效利用太阳引力返回地球的理论方法，考虑的是"日-地-月-探测器"四体问题。给出真实日地月星历数据下探测器返回轨道的形态、返回窗口的一般性规律，返回燃料消耗与太阳位置的关系等，为我国探月三期以及后续工程的低成本非载人探月的返回轨道设计与轨道控制提供理论支撑，同时打破二体问题和三体问题假设，通过非共面非圆型四体问题的研究，推动非线性动力学理论的深入发展。

月地低能返回轨道由于其节能特性，可以增加月球返回载荷重量、节约发射成本，也可作为传统返回轨道的故障替代模式，研究月地低能返回轨道对我国的深空探测工程具有显著的理论和实践意义。.首先，论文研究了月地低能返回轨道上飞行器的建模问题。此本项目对限制性三体问题进行扩展，提出在椭圆四体问题下研究探测器的动力学方程，并给出了探测器轨道能量表达式，而后利用不变流形理论，研究了探测器低能返回地球轨道所在的空间不变流形管路形态，为设计返回轨道提供了理论基础。此外，为研究实际工程应用中的月地低能返回轨道设计与控制问题，项目使用标准星历用于模拟月球与太阳的真实运动状态。.第二，项目系统论证了月地低能返回轨道的普遍存在性与规律性。通过分析探测器低能逃逸月球影响球的能量需求和轨道形态，结合低能返回轨道的搜索结果与返回轨道形式的分类研究，论证了月地低能返回轨道在自然界中的普遍存在性；在此基础上，利用不变流形理论，分析研究了月地低能返回轨道的形成所需的日地月相位关系规律，给出了2020年全年满足返回轨道形成条件的窗口分布。为设计低能返回轨道提供了基本参数和结论。.第三，项目研究论证了多种月地低能返回标称轨道设计方法。项目提出了一种改进的流形拼接法用于设计满足初始和终端需求的月地低能返回轨道。利用返回轨道所在的空间不变流形将轨道分为数段并给出分段轨道初始猜测，进而利用改进的多步打靶法对轨道分段进行迭代修正，求取满足初始与终端约束的同时满足分段平滑连接条件的完整月地低能返回轨道。仿真表明，使用该方法可以显著提高算法的收敛特性与计算效率..第四，项目研究了月地低能返回轨道的误差传播特性与中途修正策略设计方法。项目利用初始轨道偏差到再入点参数偏差的协方差分析，估计月地低能返回轨道对入轨偏差的敏感度，进而给出了无修正情况下探测器入轨精度需求。对于仍不满足入轨精度的月地低能返回任务，项目通过分析再入点参数对轨道控制脉冲的敏感程度随轨道位置的变化规律，提出了一种三点修正策略，分别在轨道不同位置对不同的再入点参数偏差进行修正，此方法对入轨偏差、测轨偏差以及修正执行偏差的情况具有良好的修正效果。.此外，项目对深空探测器有限推力轨道控制策略设计方法进行了分析研究，提出了一种结合伪谱法与虚拟卫星法的改进推力策略设计方法。