双小行星探测轨道动力学研究进展

双小行星系统由在万有引力作用下彼此环绕的两颗小行星组成, 对研究太阳系起源、行星系统演化和行星防御都具有重要的价值, 近年来成为行星科学和航天动力学研究的热门对象, 对双小行星系统的原位探测也即将迎来热潮. 双小行星系统的独特构型和附近的复杂动力学环境为探测器轨道动力学和任务设计带来了全新的挑战, 为应对这些挑战所进行的研究也推动了轨道动力学基础理论的发展. 本文对双小行星探测轨道动力学的研究进展进行综述, 首先介绍了双小行星研究和探测的背景及意义, 简要阐述了双小行星系统形成理论及其附近轨道动力学的研究概况. 其次, 介绍了双小行星系统不规则引力场和相互引力势的建模方法, 进而展示了双星的姿态轨道耦合动力学, 即完全二体问题, 包括双星相对运动的平衡构型和稳定性. 接着, 介绍了描述双星附近探测器轨道运动的限制性完全三体问题的动力学模型, 以及该模型下的平动点、平动点周期轨道、大范围周期轨道、转移轨道和轨道维持等方面的研究进展. 第四部分综述了环绕双小行星系统单颗星的受摄二体问题, 以轨道摄动理论和行星系统中受摄二体问题的研究现状为背景, 介绍了环绕双小行星系统主星的半解析轨道动力学建模与轨道稳定性分析. 之后, 介绍了目前面向探测任务需求和考虑实际约束的轨道动力学研究和轨道设计. 最后, 基于目前研究进展, 分析了面临的若干问题, 对未来双小行星探测轨道动力学及相关技术的发展进行了讨论和展望.      

旋转的沙堡

通过叙述小行星研究的发展,介绍小行星结构特点和自转规律. 以双小行星的形成机制为例阐述碎石堆小行星的自转瓦解作用. 以小行星(29075)1950DA为例阐述碎石堆结构中的范德华力.     

深空探测自主导航技术综述

深空探测自主导航技术在减少地面测控负担, 提高探测器的生存能力和扩展探测器的特殊应用潜力等方面具有独特的优势, 自主导航在国外的深空探测活动中已经成功验证并逐步开始在实际任务中应用, 未来的自主导航技术将成为深空探测技术发展的一种必然趋势. 由于我国测控资源有限, 在我国的深空探测规划中, 发展自主导航技术将显得更为重要. 在我国即将开展火星和小行星探测计划的背景下, 本文综述了国外深空探测自主导航技术研究状况, 以及在一些探测任务中的试验和应用情况, 并对每个探测活动进行了简要概括;其次, 本文调研了国外自主导航系统中所采用的光学敏感器设备;最后, 结合"深空1号"任务巡航段基于小行星的光学自主导航, 分析提出了深空探测自主导航中需要掌握的关键技术, 并对相应的技术在国内外研究情况进行了总结.     

不规则小行星引力场内的飞行动力学

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

Flight dynamics over irregular asteroids

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

不规则小行星引力场内的飞行动力学

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

有限推力多小行星探测轨迹优化

针对任务时长与燃料存在限制的多颗小行星之间顺序探测轨迹优化问题,利用极小值原理,建立了整个探测区间的最优控制问题并使用同伦算法进行求解. 其中将目标飞越、交会等约束作为内点约束,特别地对交会后停留一定时间的约束进行了转换处理,使其成为与交会约束类似的形式;并给出了考虑起始时间可滑动的情形的最优条件. 结果表明,该算法可快速得到整体最优的探测轨迹,可应用于小行星多目标探测的任务设计与轨迹规划中.     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速(V=12～20 km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.     

利用小行星视线矢量的火星探测光学自主导航研究

结合我国即将开展的自主火星探测计划,研究了航天器在火星探测巡航过程中利用小行星进行光学自主导航的整个过程. 根据巡航段的设计轨道,给出了导航小行星的筛选条件并筛选出可用于实际任务的导航小行星序列. 将自主导航的数据弧段长度设定为30d,数据观测周期为5d. 采用加权最小二乘滤波算法,当数据弧段长度为30d时,导航计算的位置误差在100～400km变化,速度误差不超过0.25m/s.      

REVIEW ON OPTIMIZATION OF ASTEROID CAPTURE ORBITS

小行星捕获对研究行星起源、地球生命来源、防御小行星撞击地球和开采行星矿产资源具有重要的意义。由于现有的推进器能力不足,小行星捕获任务中优化小行星捕获所需要的速度增量是任务成败的关键。本文分别从利用引力辅助轨道优化、连续小推力轨迹优化、小行星捕获任务轨道优化设计及小行星临时捕获等4 个方向介绍小行星捕获轨道优化方面国内外研究进展及现状。基于对上述研究现状的分析,尝试展望小行星捕获轨道优化研究的未来发展趋势。     

A method for classifying orbits near asteroids

A method for classifying orbits near asteroids under a polyhedral gravitational field is presented, and may serve as a valuable reference for spacecraft orbit design for asteroid exploration. The orbital dynamics near aster- oids are very complex. According to the variation in orbit characteristics after being affected by gravitational perturbation during the periapsis passage, orbits near an as- teroid can be classified into 9 categories： （1） surrounding- to-surrounding, （2） surrounding-to-surface, （3） surrounding- to-infinity, （4） infinity-to-infinity, （5） infinity-to-surface, （6） infinity-to-surrounding, （7） surface-to-surface, （8） surface- to-surrounding, and （9） surface-to- infinity. Assume that the orbital elements are constant near the periapsis, the gravitation potential is expanded into a harmonic series. Then, the influence of the gravitational perturbation on the orbit is studied analytically. The styles of orbits are dependent on the argument of periapsis, the periapsis radius, and the periapsis velocity. Given the argument of periapsis, the orbital energy before and after perturbation can be derived according to the periapsis radius and the periapsis velocity. Simulations have been performed for orbits in the gravitational field of 216 Kleopatra. The numerical results are well consistent with analytic predictions.     

Asteroid debris: Temporary capture and escape orbits

We investigate the dynamical behaviour of debris ejected from the surface of an asteroid, due to a generic – natural or artificial – surface process. We make an extensive statistical study of the dynamics of particles flowing from the asteroid. We observe different behaviours: particles which fall again on the asteroid surface, or rather escape from its gravitational field or are temporary trapped in orbit around the asteroid. The tests are made by varying different parameters, like the size of the asteroid, its eccentricity, the angular velocity of the asteroid, the area-to-mass ratio of the debris.We also extend the study to the case of a sample of binary asteroids with a mass ratio equal to 10⁻³; we vary the distance of the moonlet from the asteroid, to see its effect on the debris dynamics.Our simulations aim to identify regions where the debris can temporarily orbit around the asteroid or rather escape from it or fall back on the surface. These results give an important information on where a spacecraft could be safely stay after the end of the process which has produced the debris.     

A survey on orbital dynamics and navigation of asteroid missions

Asteroid exploration is currently one of the most concerned topics among international space agencies. Or- bital dynamics and navigation are obviously crucial for asteroid exploration. This paper aims to give a brief review on the dynamics, control and navigation of asteroid reconnaissance orbits, including the heliocentric transfer orbit and near as- teroid orbit. The developments in optimization techniques of the transfer segment are discussed in detail. We surveyed global researches in this field and made comments on several important progresses. The final section proposed a prospec- tive of future studies with emphasis on the key techniques of these issues in the asteroid exploration missions.     

State-of-the-art and prospects for orbital dynamics and control near small celestial bodies

小天体探测是未来深空探测的重点领域之一, 而小天体附近轨道动力学与控制问题是小天体探测任务迫切需要解决的关键问题. 该问题涉及形状不规则小天体附近的动力学环境建模与小天体附近轨道动力学机理. 本文从不规则形状小天体引力场的建模、小天体附近的自然轨道动力学、小天体附近的受控轨道动力学3 个方面综述了小天体附近轨道动力学与控制的研究现状与发展趋势, 并分析了小天体附近轨道动力学所面临的挑战与难题, 最后对我国未来小天体探测任务可能涉及的轨道动力学与控制问题的发展方向进行了展望.     

On the nonlinear stability of relative equilibria of the full spacecraft dynamics around an asteroid

The full dynamics of a spacecraft around an asteroid, in which the gravitational orbit–attitude coupling is considered, has been shown to be of great value and interest. Nonlinear stability of the relative equilibria of the full dynamics of a rigid spacecraft around a uniformly rotating asteroid is studied with the method of geometric mechanics. The non-canonical Hamiltonian structure of the problem, i.e., Poisson tensor, Casimir functions and equations of motion, are given in the differential geometric method. A classical kind of relative equilibria of the spacecraft is determined from a global point of view, at which the mass center of the spacecraft is on a stationary orbit, and the attitude is constant with respect to the asteroid. The conditions of nonlinear stability of the relative equilibria are obtained with the energy-Casimir method through the semi-positive definiteness of the projected Hessian matrix of the variational Lagrangian. Finally, example asteroids with a wide range of parameters are considered, and the nonlinear stability criterion is calculated. However, it is found that the nonlinear stability condition cannot be satisfied by spacecraft with any mass distribution parameters. The nonlinear stability condition by us is only the sufficient condition, but not the necessary condition, for the nonlinear stability. It means that the energy-Casimir method cannot provide any information about nonlinear stability of the relative equilibria, and more powerful tools, which are the analogues of the Arnold’s theorem in the canonical Hamiltonian system with two degrees of freedom, are needed for a further investigation.