本文關(guān)鍵詞：深空探測(cè)低能量逃逸與捕獲軌道設(shè)計(jì)研究

  更多相關(guān)文章： 多體系統(tǒng) 低能量捕獲軌道 低能量逃逸軌道 小天體探測(cè) 行星際轉(zhuǎn)移

【摘要】：基于三體系統(tǒng)動(dòng)平衡點(diǎn)與不變流形的低能量轉(zhuǎn)移軌道在深空探測(cè)任務(wù)中的應(yīng)用日益廣泛。地-月系統(tǒng)/日-地系統(tǒng)L1/L2點(diǎn)是人類進(jìn)入近地空間或者探測(cè)小行星及大行星的低能量樞紐。同時(shí)，太陽(yáng)-行星組成的三體系統(tǒng)為行星低能量捕獲提供了可能。在行星際轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)過(guò)程中，低能量特性體現(xiàn)在地-月系統(tǒng)/日-地-月系統(tǒng)逃逸段和太陽(yáng)-行星系統(tǒng)捕獲段，因此，基于三體/四體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)逃逸與捕獲軌道特性進(jìn)行研究，提出可行的軌道設(shè)計(jì)方法是低能量行星際轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 本學(xué)位論文結(jié)合國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973項(xiàng)目)“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問(wèn)題研究”、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“深空探測(cè)中若干非線性動(dòng)力學(xué)與控制問(wèn)題”、自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目“火星系統(tǒng)弱穩(wěn)定邊界與捕獲軌道設(shè)計(jì)機(jī)理研究”和中國(guó)空間技術(shù)研究院項(xiàng)目“多任務(wù)深空探測(cè)軌道設(shè)計(jì)研究”，針對(duì)深空探測(cè)任務(wù)中的低能量逃逸與捕獲軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與分析。主要研究?jī)?nèi)容如下： 針對(duì)三體系統(tǒng)逃逸的軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了兩種逃逸方式：直接和間接逃逸。首先，基于圓形限制性三體模型，構(gòu)建逃逸脈沖與雙曲超速V E間的映射關(guān)系，分析兩種逃逸方式的特性，獲得了普適性的結(jié)論。然后，基于星歷三體模型和圓錐曲線拼接，提出了多體系統(tǒng)中直接與間接逃逸軌道的設(shè)計(jì)方法，并以小天體探測(cè)為例，對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，針對(duì)直接逃逸方式，提出了一種基于逃逸機(jī)會(huì)分層搜索的解析方法。 針對(duì)四體系統(tǒng)逃逸軌道的設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了四體系統(tǒng)內(nèi)逃逸與外逃逸的概念，并針對(duì)內(nèi)逃逸，提出了一種基于動(dòng)平衡點(diǎn)附近運(yùn)動(dòng)的龐加萊映射圖譜的單脈沖轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法，并以日-地-月四體系統(tǒng)下月球向日-地動(dòng)平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)移為例，，對(duì)轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)的分布、脈沖與動(dòng)平衡點(diǎn)軌道幅值的映射關(guān)系等進(jìn)行了分析。針對(duì)外逃逸，分析近拱點(diǎn)加速逃逸的軌道參數(shù)特性與分布區(qū)域，并以日-地-月四體系統(tǒng)下月球-小天體轉(zhuǎn)移為例，搜索得到了比三體系統(tǒng)逃逸所需能量更低的轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)。 針對(duì)三體系統(tǒng)的捕獲軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于該系統(tǒng)動(dòng)平衡點(diǎn)的不變流形結(jié)構(gòu)，提出了一種兩脈沖彈道捕獲軌道設(shè)計(jì)方法，有效解決了兩類僅存在單次近拱點(diǎn)且高度不滿足捕獲約束要求的不變流形捕獲軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題。該方法通過(guò)建立彈道捕獲參數(shù)與系統(tǒng)Jacobi常數(shù)間的一維映射關(guān)系，來(lái)搜索可行的捕獲機(jī)會(huì)。以日-火三體系統(tǒng)為例，通過(guò)該方法得到了低能量的捕獲方案，并拓展了可能的捕獲機(jī)會(huì)。 針對(duì)低能量逃逸與捕獲在動(dòng)平衡點(diǎn)任務(wù)軌道設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，以月球向日-地動(dòng)平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)移為應(yīng)用背景，基于四體系統(tǒng)內(nèi)逃逸的軌道設(shè)計(jì)方法，提出了從月球逃逸飛向日-地平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)移軌道的重構(gòu)方法，研究并分析了逃逸脈沖與重構(gòu)軌道機(jī)動(dòng)的權(quán)衡選取問(wèn)題；以日-地平衡點(diǎn)向小天體轉(zhuǎn)移為應(yīng)用背景，基于擾動(dòng)法和主矢量理論，提出了從日-地平衡點(diǎn)飛向小天體的最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法，并研究發(fā)現(xiàn)“快轉(zhuǎn)移”與“慢轉(zhuǎn)移”兩類軌道。 針對(duì)低能量逃逸與捕獲在行星際轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，提出一種基于三體系統(tǒng)不變流形結(jié)構(gòu)的二級(jí)搜索方法。該方法首先基于星歷模型求解行星動(dòng)平衡點(diǎn)附近周期軌道逃逸流形初始時(shí)刻與捕獲流形末端時(shí)刻固定時(shí)的最優(yōu)兩脈沖轉(zhuǎn)移問(wèn)題，然后以逃逸流形初始時(shí)刻與捕獲流形末端時(shí)刻為變量，得到基于逃逸與捕獲流形的星際轉(zhuǎn)移軌道解空間的全局特性。分別以地球-火星、地球-金星的低能量轉(zhuǎn)移為例，給出了相關(guān)的轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)，并揭示出了星際動(dòng)平衡點(diǎn)軌道間轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)的類周期性。
【關(guān)鍵詞】：多體系統(tǒng) 低能量捕獲軌道 低能量逃逸軌道 小天體探測(cè) 行星際轉(zhuǎn)移
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V412.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 課題研究的目的和意義11-12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)12-20
• 1.2.1 三體問(wèn)題軌道設(shè)計(jì)方法概述12-15
• 1.2.2 多體系統(tǒng)逃逸軌道設(shè)計(jì)研究進(jìn)展15-18
• 1.2.3 多體系統(tǒng)捕獲軌道設(shè)計(jì)研究進(jìn)展18-20
• 1.3 論文的研究思路與內(nèi)容20-22
• 1.3.1 論文的研究思路20
• 1.3.2 論文的主要研究?jī)?nèi)容20-22
• 第二章 基于三體系統(tǒng)逃逸的軌道設(shè)計(jì)方法研究22-47
• 2.1 基于平面圓型限制性三體問(wèn)題的逃逸軌道22-29
• 2.1.1 直接逃逸與間接逃逸的定義22-25
• 2.1.2 兩類逃逸軌道的特性25-29
• 2.2 基于星歷三體模型逃逸的軌道設(shè)計(jì)方法29-38
• 2.2.1 直接逃逸的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法29-32
• 2.2.2 間接逃逸的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法32-33
• 2.2.3 基于三體系統(tǒng)逃逸的軌道設(shè)計(jì)方法在小天體探測(cè)中的應(yīng)用33-38
• 2.3 基于解析方法的三體系統(tǒng)逃逸軌道設(shè)計(jì)38-46
• 2.3.1 三體系統(tǒng)逃逸機(jī)會(huì)的分層搜索38-41
• 2.3.2 精確星歷模型逃逸軌道漸近修正41-42
• 2.3.3 基于解析法的逃逸軌道設(shè)計(jì)方法在小天體探測(cè)中的應(yīng)用42-46
• 2.4 本章小結(jié)46-47
• 第三章 基于四體系統(tǒng)逃逸的軌道設(shè)計(jì)方法研究47-70
• 3.1 基于四體系統(tǒng)逃逸的軌道設(shè)計(jì)方法47-56
• 3.1.1 四體系統(tǒng)內(nèi)逃逸的軌道設(shè)計(jì)方法47-52
• 3.1.2 四體系統(tǒng)外逃逸的軌道設(shè)計(jì)方法52-56
• 3.2 基于四體系統(tǒng)內(nèi)逃逸的動(dòng)平衡點(diǎn)任務(wù)軌道設(shè)計(jì)56-65
• 3.2.1 切向脈沖逃逸的平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)57-64
• 3.2.2 非切向逃逸脈沖的平衡點(diǎn)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)64-65
• 3.3 基于四體系統(tǒng)外逃逸的小天體探測(cè)軌道設(shè)計(jì)65-68
• 3.3.1 基于四體系統(tǒng)外逃逸探測(cè)小天體的參數(shù)范圍選擇65-66
• 3.3.2 基于四體系統(tǒng)外逃逸探測(cè)小天體的最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)66-68
• 3.4 本章小結(jié)68-70
• 第四章 基于三體系統(tǒng)捕獲的軌道設(shè)計(jì)方法研究70-84
• 4.1 基于三體系統(tǒng)不變流形捕獲的軌道設(shè)計(jì)方法70-73
• 4.1.1 穩(wěn)定流形近拱點(diǎn)高度與捕獲速度的映射關(guān)系70-72
• 4.1.2 三體系統(tǒng)周期軌道近拱點(diǎn)高度搜索72-73
• 4.2 基于三體系統(tǒng)彈道捕獲的軌道設(shè)計(jì)方法73-83
• 4.2.1 三體系統(tǒng)彈道捕獲的表征73-75
• 4.2.2 三體系統(tǒng)彈道捕獲軌道設(shè)計(jì)的降維方法75-76
• 4.2.3 彈道捕獲在火星周期軌道捕獲中的應(yīng)用76-83
• 4.3 本章小結(jié)83-84
• 第五章 低能量逃逸與捕獲軌道在動(dòng)平衡點(diǎn)探測(cè)中的應(yīng)用84-112
• 5.1 四體系統(tǒng)內(nèi)逃逸軌道設(shè)計(jì)方法在動(dòng)平衡點(diǎn)軌道重構(gòu)中的應(yīng)用84-95
• 5.1.1 四體系統(tǒng)中的動(dòng)平衡點(diǎn)軌道重構(gòu)方法84-87
• 5.1.2 速度偏差幅值對(duì)軌道重構(gòu)的影響87-94
• 5.1.3 速度偏差方向?qū)壍乐貥?gòu)的影響94-95
• 5.2 基于日-地系統(tǒng)低能量逃逸的小行星探測(cè)軌道設(shè)計(jì)研究95-111
• 5.2.1 日-地系統(tǒng)低能量逃逸與擾動(dòng)法95-100
• 5.2.2 日-地系統(tǒng)低能量逃逸的最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法100-101
• 5.2.3 基于日-地系統(tǒng)逃逸的小行星最優(yōu)轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)101-111
• 5.3 本章小結(jié)111-112
• 第六章 低能量逃逸與捕獲軌道在行星探測(cè)中的應(yīng)用研究112-120
• 6.1 行星探測(cè)的低能量逃逸與捕獲軌道112-116
• 6.1.1 低能量逃逸與捕獲軌道的不變流形分支選擇112-113
• 6.1.2 基于低能量逃逸與捕獲軌道的星際轉(zhuǎn)移機(jī)會(huì)搜索方法113-116
• 6.2 基于低能量逃逸與捕獲的地球-金星轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)116-117
• 6.3 基于低能量逃逸與捕獲的地球-火星轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)117-118
• 6.4 本章小結(jié)118-120
• 結(jié)論與展望120-122
• 參考文獻(xiàn)122-130
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單130-131
• 致謝131-132
• 作者簡(jiǎn)介132

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 Yang Gao;;Near-Earth asteroid flyby trajectories from the Sun-Earth L2 for Chang’e-2’s extended flight[J];Acta Mechanica Sinica;2013年01期

2 Yang Gao;Heng-Nian Li;Sheng-Mao He;;First-round design of the flight scenario for Chang’e-2’s extended mission:take off from lunar orbit[J];Acta Mechanica Sinica;2012年05期

3 Ya-Min Wang;Dong Qiao;Ping-Yuan Cui;;Design of low-energy transfer from lunar orbit to asteroid in the Sun-Earth-Moon system[J];Acta Mechanica Sinica;2014年06期

4 何巍;徐世杰;;基于圓型限制性三體問(wèn)題模型的行星衛(wèi)星逃逸能量研究[J];航空學(xué)報(bào);2007年02期

5 何巍;茹家欣;陳風(fēng)雨;;月球借力發(fā)射火星探測(cè)器方法研究[J];中國(guó)科學(xué)(E輯:技術(shù)科學(xué));2009年03期

6 ;Design and optimization of a trajectory for Moon departure Near Earth Asteroid exploration[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2011年04期

7 吳偉仁;崔平遠(yuǎn);喬棟;黃江川;;嫦娥二號(hào)日地拉格朗日L2點(diǎn)探測(cè)軌道設(shè)計(jì)與實(shí)施[J];科學(xué)通報(bào);2012年21期

8 ;Pre-LOI trajectory maneuvers of the CHANG'E-2 libration point mission[J];Science China(Information Sciences);2012年06期

9 葉培建;黃江川;張廷新;孟林智;;嫦娥二號(hào)衛(wèi)星技術(shù)成就與中國(guó)深空探測(cè)展望[J];中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué);2013年05期

10 喬棟;黃江川;崔平遠(yuǎn);饒煒;王曉磊;黃昊;孟林智;周文艷;;嫦娥二號(hào)衛(wèi)星飛越Toutatis小行星轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)[J];中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué);2013年05期

本文編號(hào)：986122