深空探测中若干非线性动力学与控制问题

近年来，国际上出现了旨在占领空间高新技术战略制高点的第二次深空探测热潮，本项目以其中有代表性的新概念、新技术和新任务为背景，提炼出动力学与控制相关的科学问题，组成强强联合、优势互补的课题组，开展系统深入地研究。研究主要内容包括：深空轨道的受控渐变流形、连续推力-引力辅助深空轨道的全局多层次优化、深空飞行的相对运动建模与控制、非传统任务轨道的稳定性与控制、帆飞行器的姿-轨-结构强耦合动力学、帆飞行器的轨道与姿态被动控制、帆飞行器的姿-轨-结构主动控制、遍历探测和多次甩摆中的多层次和多目标优化算法、深空轨道的分叉混沌现象与机理等。从中可能发掘出原始创新思想，获得自主知识产权的算法和分析软件。预期研究成果既可以为我国未来的深空探测做理论准备和技术储备，又可以促进非线性系统动力学与控制的基础理论和实用方法研究。

项目由清华大学、北京理工大学、北京航空航天大学共同按计划完成。在项目进行的四年中，共有4名教授、4名副教授、3名讲师、6名博士后、30名博士生、40名硕士生参加，共发表学术论文75篇，其中被SCI检索51篇、综述4篇，有29篇发表在Journal of Guidance, Control and Dynamics、Celestial Mechanics & Dynamical Astronomy等国外著名的航天动力学与控制学术期刊上。取得主要成果包括：.1）对当前深空探测动力学与控制方面的国际前沿问题，在脉冲和连续推力轨道设计、深空自主导航、引力甩摆、拉格朗日点附近轨道、小行星附近轨道、不变流行、太阳帆飞行器等方向，得到了一系列理论和方法（学术专著《深空探测动力学与控制》将于2013年9月由清华大学出版社出版）。.2）对太阳帆飞行器，研究姿态轨道耦合、编队控制、人工拉格朗日点、悬浮轨道、引力拖车、不变流行、逆向轨道等问题，得到了一系列理论和方法（学术专著《太阳帆飞行器动力学与控制》将于2013年10月由清华大学出版社出版）。.3）对以火星、木星为代表的大行星探测，以及小行星探测，研究地球逃逸、转移轨道、引力甩摆、行星捕获等动力学问题，研究探测器在小行星的不规则弱引力场中复杂的非线性动力学行为，在此基础上进一步研究大行星着陆和小行星附着等控制问题的申请，在2012年获得了科技部973项目资助。.4）对未来飞临地球的小行星的潜在威胁，提出了两种解决方案：一是捕获小行星成为地球的自然卫星，便于经常探测和开发利用；二是利用太阳帆飞行器形成逆向飞行轨道，迎头撞击小行星(MIT technology review报道)。.5）参加2009年~2012年的三次国际深空探测轨道优化设计竞赛，成绩相对排名从40%提高到10%，最好成绩超过法国航天局、德国航天局、英国一些大学，接近JPL水平；发起、组织并参加了四次全国深空探测轨道竞赛，带动了国内深空探测研究。.6）项目多名成员参加了嫦娥二号执行的我国首次探测拉格朗日点和首次探测小行星的任务，将项目研究成果应用于轨道设计、计算和测控。.7）参与我国2030年前深空探测任务规划，提出的近地小行星、主带小行星、木星、太阳极区等探测轨道被设计单位采纳。.8）参与我国载人登月轨道设计，提出的双自由返回轨道拼接方案。