深空探测转移轨道设计方法研究及在小天体探测中的应用

摘要

本学位论文结合863计划项目“深空探测自主技术与仿真演示系统”、“星际高速公路的低能量转移轨道设计技术研究”、国家自然科学基金资助项目“深空探测转移轨道机理与优化方法研究”与我国首个小行星探测计划构想，针对深空探测转移轨道与小天体探测目标选择与轨道方案设计问题进行了深入研究。主要研究内容包括以下几个方面：
　　针对转移时间自由的星际探测发射机会搜索问题，特别是小天体探测中的大规模发射机会搜索，结合 Gauss算法与变分原理，提出了一种全局-局部协同搜索方法。该方法根据探测任务要求定义待搜索目标函数并确定搜索域，利用Gauss算法和星历计算进行降维，结合变分原理与边界条件推导出搜索所需的解析梯度函数，采用全局-局部协同搜索方法求解，解决了传统方法计算量大，计算效率低的问题。同时，还提出了一种转移时间固定的多脉冲转移发射机会搜索方法。该方法结合最优脉冲转移的必要条件，由主矢量变化历程寻找和判别中间脉冲，将直接转移轨道发射机会搜索问题的研究推广到了多脉冲领域。
　　针对星际探测多目标交会转移轨道设计问题，结合 Tisserand原理、Prok-Chop图法和“软匹配”策略，提出了一种多目标交会的混合设计方法。该方法采用P r?曲线确定借力目标的序列，利用 Pork-Chop图确定设p计参数的可行域和时序，避免了传统方法对借力交会目标序列和初始轨道段的假设，通过“软匹配”和惩罚策略寻找最优设计参数。通过对金星借力探测火星任务和ROSETTA任务转移轨道方案的设计，验证了该方法的正确性和有效性。
　　研究了借力飞行及其衍生技术的机理，给出了借力飞行俘获、逃逸和顺行与逆行轨道转变的条件、界定了有推力借力的俘获区域、提出了气动-借力转移轨道方案设计的拼接条件。针对借力飞行技术，基于圆型限制性三体模型，深入研究了全相角借力飞行自由参量与轨道变化的隐含关系，给出了借力飞行俘获、逃逸和顺行与逆行轨道转变的条件。同时，将对该问题的研究拓展到椭圆型限制性三体模型，分析了借力天体相位角和偏心率对借力飞行轨道的影响。针对借力飞行的衍生技术，分别结合限制性三体与气动模型，界定了有推力借力的俘获区域、提出了气动-借力转移轨道方案设计的拼接条件。这些关系和条件将为星际转移轨道方案设计提供重要准则。
　　针对星际转移轨道设计问题，提出了一种基于动平衡点不变流形结构的星际转移轨道设计方法。该方法首先通过 Poincaré映射，将连续动力系统离散化并降低维数，由单值矩阵分析该系统，确定出与目标周期轨道（Halo轨道）相切的局部子空间，并将其拓展为不变流形。然后，由停泊轨道向动平衡点目标周期轨道转移，利用该系统的不稳定流形逃逸以实现低能量的星际飞行。在小天体探测中的应用显示了该转移方法的潜在优势。
　　结合本文研究内容，针对我国首个小行星探测计划构想从目标选择到转移轨道方案设计进行了系统的研究计算，给出了一套行之有效的小天体探测目标选择与轨道方案设计方法。首先基于最优两脉冲和借力机制可接近性评价方法对探测目标进行筛选与评估，得到26颗科学价值与工程可实现性兼具的目标星。然后，基于任务约束，采用大规模发射机会搜索方法，确定（1627）Ivar小行星为目标星,（3288）Seleucus和（4660）Nereus为备选目标，针对 Ivar小行星，设计了直接和借力两类转移轨道方案，对比分析确定了2:1ΔV-EGA转移轨道方案，该方案可有效降低探测任务所需的发射能量和总速度增量，使之满足任务要求。最后，对2:1ΔV-EGA转移轨道方案进行了拓展设计，实现了“一探三”Ivar小行星的多目标交会任务，并对其测控等轨道特性进行了分析，验证了任务的可行性。

目录

深空探测转移轨道设计方法研究及在小天体探测中的应用

STUDY OF TRANSFERTRAJECTORY DESIGN METHODFOR DEEP SPACE EXPLORATIONAND APPLICATION TO SMALLBODY EXPLORATION

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究的目的和意义

1.2 深空探测转移轨道机理与优化方法研究综述

1.2.1 深空探测任务及转移轨道方案概述

1.2.2 探测任务发射机会搜索与轨道设计方法研究概述

1.2.3 脉冲转移轨道的设计与优化方法研究概述

1.2.4 借力飞行机理与设计方法研究概述

1.2.5 动平衡点转移机理与方法研究概述

1.2.6 小天体探测目标选择与可接近性评价概述

1.3 本文主要研究内容

1.3.1 论文的研究思路

1.3.2 论文的主要研究内容

第2章 星际转移轨道发射机会搜索方法研究

2.1 引言

2.2 基于遗传算法的两脉冲最优发射机会搜索方法

2.2.1 问题的描述

2.2.2 搜索方法的主要控制参数

2.2.3 算例与分析

2.3 全局-局部协同两脉冲最优发射机会搜索方法

2.3.1 问题的描述与简化

2.3.2 全局初始搜索

2.3.3 局部精确搜索

2.3.4 算例与分析

2.4 多脉冲转移发射机会搜索方法

2.4.1 问题的描述

2.4.2 最优转移的必要条件

2.4.3 “转移时间固定”最优脉冲转移轨道的求解

2.4.4 算例与分析

2.5 本章小结

第3章 星际探测多目标交会转移轨道设计方法研究

3.1 引言

3.2 多目标交会转移轨道的能量匹配拼接设计方法

3.2.1 多目标交会转移轨道设计的基本原理

3.2.2 初始轨道段设计

3.2.3 潜在轨道段搜索与设计

3.2.4 多天体交会轨道拼接

3.2.5 算例与分析

3.3 多目标交会转移轨道的混合设计方法

3.3.1 星际探测多目标交会转移轨道问题描述

3.3.2 多目标交会转移轨道的混合设计方法

3.3.3 算例与分析

3.4 ROSETTA 任务转移轨道方案的设计

3.4.1 ROSETTA 任务的约束

3.4.2 ROSETTA 任务转移轨道方案设计与分析

3.5 本章小结

第4章 借力飞行及其衍生技术机理研究

4.1 引言

4.2 基于圆型限制性三体模型的借力飞行机理分析

4.2.1 问题描述

4.2.2 圆型限制性三体问题模型

4.2.3 基于圆型限制性三体模型的算法

4.2.4 基于圆型限制性三体模型的借力飞行机理分析

4.3 基于椭圆型限制性三体模型的借力飞行机理分析

4.3.1 问题描述

4.3.2 椭圆型限制性三体模型

4.3.3 基于椭圆型限制性三体模型的算法

4.3.4 基于椭圆型限制性三体模型的借力飞行分析

4.4 有推力借力飞行机理分析

4.4.1 问题描述

4.4.2 基于二体模型的俘获区域分析

4.4.3 基于二体模型的有推力借力飞行机理分析

4.4.4 基于限制性三体模型的算法与俘获区域分析

4.4.5 基于限制性三体模型的有推力借力飞行机理分析

4.5 气动-借力飞行机理分析与设计方法研究

4.5.1 气动-借力飞行的基本原理

4.5.2 气动-借力飞行的参数分析

4.5.3 气动-借力飞行的轨道设计拼接条件

4.6 本章小结

第5章 基于动平衡点的星际转移轨道设计方法研究

5.1 引言

5.2 动平衡点及其附近的运动

5.2.1 动平衡点的位置

5.2.2 动平衡点的稳定性

5.2.3 动平衡点附近的运动

5.3 动平衡点附近周期轨道的确定

5.3.1 动平衡点附近周期轨道的近似解

5.3.2 动平衡点轨道的数值解

5.4 基于不变流形结构向周期轨道转移的轨道设计

5.4.1 目标Halo 轨道的确定

5.4.2 与Halo 轨道相关的流形结构

5.4.3 Poincaré 截面

5.4.4 停泊轨道向流形结构的转移轨道设计

5.5 基于不变流形结构由周期轨道向星际转移轨道设计

5.5.1 星际转移的不变流形结构

5.5.2 星际转移的不变流形轨道分支的选择

5.6 基于动平衡点向小天体转移的轨道设计

5.7 本章小结

第6章 小天体探测任务转移轨道设计与分析

6.1 引言

6.2 小天体探测的任务背景

6.3 小天体探测任务的目标选择

6.4 小天体探测目标的可接近性评价

6.4.1 探测目标可接近性评价准则

6.4.2 最优两脉冲转移的小天体可接近性评价方法

6.4.3 基于借力机制的小天体可接近性评价方法

6.4.4 探测目标的可接近性评价

6.5 小行星探测任务的交会机会搜索

6.6 Ivar 小行星探测任务转移轨道方案设计

6.6.1 Ivar 小行星探测任务发射机会搜索与分析

6.6.2 Ivar 小行星探测任务转移轨道方案设计

6.6.3 Ivar 小行星探测多目标交会任务扩展设计

6.6.4 Ivar 小行星探测任务转移轨道方案分析

6.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历