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.     

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.     

行星探测中的大气制动技术研究进展

大气制动技术正成为一种有效的行星探测技术, 该技术利用目的行星的大气阻力作用来减缓探测器的速度以达到预定轨道, 不需要或很少使用携带的燃料进行反推减速入轨, 能够降低行星探测器的发射成本, 增加探测器的入轨有效载荷. 本文描述了大气制动的特点, 以及NASA成功应用大气制动技术的4次行星探测任务, 重点评述了大气制动期间气体动力学特性和轨道模拟的研究情况, 并对大气制动技术的风险性和成本分析进行了总结. 最后, 指出了今后大气制动技术研究和发展的重点.      

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。     

小行星捕获轨道优化研究综述

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。     

碎石堆小行星的散体动力学建模与仿真方法综述

探测小行星将是未来几十年内航天界的研究热点. 现有资料表明小行星多为疏松多孔的碎石堆结构,易受探测活动的影响而破碎瓦解,因此对其探测必须先进行动力学建模,研究探测活动与小行星结构的相互作用,确保探测任务顺利执行. 在中国即将开展小行星探测任务的背景下,调研分析了散体动力学的研究和发展情况;并根据国内外的相关研究,对目前碎石堆小行星动力学模型与数值模拟方法的研究进行了综述;最后,结合小行星探测的应用背景,总结了小行星散体动力学模型中需解决的关键问题.      

三体轨道动力学研究进展

三体系统轨道动力学问题是航天动力学领域中的经典问题, 具有丰富的理论与工程意义, 并将在人类由近地延伸到深空的航天活动过程中起到至关重要的作用. 本文回顾并总结了三体系统轨道动力学相关研究进展, 并结合未来的深空探测的发展趋势, 展望了三体系统轨道动力学研究中的热点与挑战. 首先阐述了三体问题的研究背景及意义, 简要回顾了三体系统动力学模型的发展历程. 其次, 系统概述了三体系统平衡点附近的局部运动特性, 介绍了平衡点附近周期轨道解析与数值求解方法, 给出了拟周期运动的最新进展. 同时总结了共振轨道、循环轨道、自由返回轨道等三类三体系统全局周期运动的动力学特性与研究进展. 再次, 从不变流形理论和弱稳定边界理论两个方面综述了三体系统中低能量转移与捕获轨道设计的研究进展. 最后, 综述了三体系统轨道动力学在编队飞行、导航星座设计两方面的应用, 并展望了全月面覆盖轨道设计、三体系统下的小推力轨道优化和三体系统的三角平衡点开发利用中值得关注的轨道动力学与控制问题.      

小行星的奇特动力学1）

小行星数以百万计,有着千奇百怪的外形.无论是小行星自身长期演化、还是它们附近的绕飞物体,都有着奇特的动力学现象.介绍小行星研究现状和发展趋势,阐明影响小行星姿态轨道长期演化的重要作用--雅科夫斯基效应和YORP效应.概述小行星不规则引力场描述方法与其中复杂的周期轨道,尝试提炼其中的科学问题和研究方向.     

The present status and prospects in the research of orbital dynamics and control near small celestial bodies

Small celestial body exploration is of great significance to deep space activities. The dynamics and control of orbits around small celestial bodies is of top priority in the exploration research. It includes the modeling of dynamics environment and the orbital dynamics mechanism. This paper introduced state-of-the-art researches, major challenges, and future trends in this field. Three topics are mainly discussed: the gravitational field modeling of irregular-shaped small celestial bodies, natural orbital dynamics and control, and controlled orbital dynamics. Finally, constructive suggestions are made for China's future space exploration missions.     

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.     

Dirac reduction of binary asteroid systems with symmetry and stability of relative equilibria

In this paper, we study symmetry reduction for a binary asteroid system modeled by a rigid body and a particle. In particular, we demonstrate how translational and rotational symmetry reduction appeared in the binary asteroid system can be carried out in the context of Dirac reduction by stages and with the associated reduction of implicit Hamiltonian systems. Then we investigate stability of relative equilibria of the asteroid pair and show stability regions by using the energy-momentum method. Lastly, we illustrate some numerical simulations for stable and unstable orbits near from relative equilibria of the Collinear and T configurations.     

Forced resonance orbit analysis of binary asteroid system with consideration of solar radiation pressure

The solar radiation pressure is one of the major perturbations to orbits in the study of binary asteroid system, since asteroids have relatively weak gravity fields. In this paper, based on the idea of treating the solar radiation pressure as periodic external excitation, one novel family of orbits due to primary resonance and another novel family of orbits due to both primary resonance and internal resonance have been found by the classical perturbation method. The two types of steady-state orbits due to external resonance with different area-to-mass ratios have been determined and discussed by the frequency–response equations analytically. Four binary asteroid systems, 283 Emma-S/2003 (283) 1, 22 Kalliope-Linus, 2006 Polonskaya-S/2005 (2006) 1 and 4029 Bridges have been taken as examples to show the validity of the proposed mechanism in the explanation of orbits formation due to resonance. The multiple shooting method is applied to obtain the resonance orbits after numerical iterations.

     

基于偏转距离近似模型的动能撞击小行星防御任务脉冲轨道优化研究

小行星撞击对地球上的生命存在重大潜在威胁,动能撞击是目前最易实现且成熟度最高的防御方案.动能撞击任务的一种轨道优化指标为最大化偏转距离(即小行星被偏转前后近地距的改变量),若用数值积分的方法精确计算偏转距离, 会导致优化效率较低.在动能撞击任务的设计初期, 可以对动力学模型及偏转距离的计算方法进行简化,以提升优化效率. 本文首先将高精度模型简化为二体模型,分析了两种经典偏转距离解析模型的适用条件,同时提出一种基于近地点时刻预估的偏转距离近似模型; 考虑运载约束,将化学推进变轨简化为脉冲推力变轨,建立了直接转移(两脉冲及三脉冲)和行星借力飞行转移(单次及两次借力)的动能撞击轨道优化模型,利用遗传算法求解了优化问题. 以偏转小行星Apophis为例, 相比于解析模型,验证了本文提出的近似模型可以同时提升最优性、降低求解复杂性. 优化结果表明,三脉冲直接转移方案与两脉冲直接转移方案的最优偏转效果基本一致,借力飞行转移方案相比于直接转移方案对偏转距离的提升效果并不明显.在动能撞击任务的前期设计中, 可以基于二体模型进行防御效果的快速评估,虽然对计算偏转距离存在一定误差, 但对防御窗口的优化结果影响不大. 进一步,数值求解偏转距离时, 可通过引入主要引力摄动项(金星、地球、木星)修正二体模型,使其与高精度模型之间的求解误差在1%以下.      

Networks of periodic orbits in the circular restricted three-body problem with first order post-Newtonian terms

The motivation of this article is to numerically investigate the orbital dynamics of the planar post-Newtonian circular restricted problem of three bodies. By numerically integrating several large sets of initial conditions of orbits we obtain the basins of escape. Additionally, we determine the influence of the transition parameter on the orbital structure of the system, as well as on the families of simple symmetric periodic orbits. The networks and the stability of the symmetric periodic orbits are revealed, while the corresponding critical periodic solutions are also identified. The parametric evolution of the horizontal and the vertical stability of the periodic orbits are also monitored, as a function of the transition parameter.