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.      

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.     

基于多项式约束的三角平动点平面周期轨道设计方法

平动点是圆型限制性三体问题中的五个平衡解.其中,三角平动点在平面问题中具有"中心×中心"的动力学特性,其附近存在着大量的周期轨道,研究这些周期轨道的构建方法在深空探测中具有理论及工程意义.本文从振动角度分析周期轨道,通过多项式展开法构建出主坐标下周期轨道两个运动方向之间的渐近关系.从新的角度分析了系统的动力学特性和平面周期运动两个方向内在关联以及物理规律.这种多项式形式的关系式,可以作为约束条件用于数值微分修正算法中,通过迭代的方式寻找周期轨道.数值仿真算例验证了方法的正确性及精确性.文章从振动的角度对周期轨道进行分析,改进了微分修正算法.提出的方法可以被拓展至圆型/椭圆型限制性三体问题的三维周期轨道构建中.     

基于多项式约束的三角平动点平面周期轨道设计方法1）

平动点是圆型限制性三体问题中的五个平衡解.其中,三角平动点在平面问题中具有“中心×中心”的动力学特性,其附近存在着大量的周期轨道,研究这些周期轨道的构建方法在深空探测中具有理论及工程意义.本文从振动角度分析周期轨道,通过多项式展开法构建出主坐标下周期轨道两个运动方向之间的渐近关系.从新的角度分析了系统的动力学特性和平面周期运动两个方向内在关联以及物理规律.这种多项式形式的关系式,可以作为约束条件用于数值微分修正算法中,通过迭代的方式寻找周期轨道.数值仿真算例验证了方法的正确性及精确性.文章从振动的角度对周期轨道进行分析,改进了微分修正算法.提出的方法可以被拓展至圆型/椭圆型限制性三体问题的三维周期轨道构建中.     

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.     

日地系统L_2点Halo轨道绳系卫星编队动力学

研究平动点附近周期轨道上旋转多体绳系卫星编队系统的非线性耦合动力学问题。编队系统为各卫星质量接近的轮辐状结构,位于日地系统第二平动点附近,整个系统的旋转保持系绳处于张紧状态,建立Hill限制性三体问题的绳系编队系统动力学模型。针对处于留位阶段的典型对称三星编队,在位于较大Halo轨道上无控制力作用的情况下,进行母卫星轨道运动与系绳摆动耦合运动的动力学模拟,分析轨道方向、卫星质量比、系绳长度以及初始旋转速度对编队系统整体稳定性的影响。     

基于参激共振的受摄小行星悬停轨道设计方法

本文将太阳引力摄动视为受摄不规则小行星系统的组成部分,借鉴非线性振动理论中参数激励共振的概念,创新性地设计了不规则小行星平衡点附近稳定的悬停观测轨道.为了同时考虑不规则小行星引力和太阳引力, 本文采用受摄粒杆模型描述系统.通过对未扰系统平衡点以及固有频率的分析, 给出系统存在参激共振轨道的条件.再以第二类参激主共振和1:3内共振为例,采用多尺度方法求得参数激励共振轨道的稳态解, 并对稳态解的稳定性进行判断.通过受摄小行星系统的幅频响应曲线以及力频响应曲线分析了系统的非线性特性以及参数激励效应.此外, 对内共振引起的长短周期能量转移现象进行了分析.本文的研究成果可以拓展现有小行星系统周期轨道族设计方法.      

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

Equilibrium configurations of the tethered three-body formation system and their nonlinear dynamics

This paper considers nonlinear dynamics of tethered three-body formation system with their centre of mass staying on a circular orbit around the Earth, and applies the theory of space manifold dynamics to deal with the nonlinear dynamical behaviors of the equilibrium configurations of the system. Compared with the classical circular restricted three body system, sixteen equilibrium configurations are obtained globally from the geometry of pseudo-potential energy surface, four of which were omitted in the previous research. The periodic Lyapunov orbits and their invariant manifolds near the hyperbolic equilibria are presented, and an iteration procedure for identifying Lyapunov orbit is proposed based on the differential correction algorithm. The non-transversal intersections between invariant manifolds are addressed to generate homoclinic and heteroclinic trajectories between the Lyapunov orbits. (3,3)and (2,1)-heteroclinic trajectories from the neighborhood of one collinear equilibrium to that of another one, and (3,6)and (2,1)-homoclinic trajectories from and to the neighborhood of the same equilibrium, are obtained based on the Poincaré mapping technique.     

Solar sail dynamics in the three-body problem: Homoclinic paths of points and orbits

In this paper we consider the orbital dynamics of a solar sail in the Earth-Sun circular restricted three-body problem. The equations of motion of the sail are given by a set of non-linear autonomous ordinary differential equations, which are non-conservative due to the non-central nature of the force on the sail. We consider first the equilibria and linearisation of the system, then examine the non-linear system paying particular attention to its periodic solutions and invariant manifolds. Interestingly, we find there are equilibria admitting homoclinic paths where the stable and unstable invariant manifolds are identical. What is more, we find that periodic orbits about these equilibria also admit homoclinic paths; in fact the entire unstable invariant manifold winds off the periodic orbit, only to wind back onto it in the future. This unexpected result shows that periodic orbits may inherit the homoclinic nature of the point about which they are described.     

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.     

<Emphasis Type="Italic">J</Emphasis><Subscript>2</Subscript> invariant relative orbits via differential correction algorithm

This paper describes a practical method for finding the invariant orbits in J ₂ relative dynamics. Working with the Hamiltonian model of the relative motion including the J ₂ perturbation, the effective differential correction algorithm for finding periodic orbits in three-body problem is extended to formation flying of Earth’s orbiters. Rather than using orbital elements, the analysis is done directly in physical space, which makes a direct connection with physical requirements. The asymptotic behavior of the invariant orbit is indicated by its stable and unstable manifolds. The period of the relative orbits is proved numerically to be slightly different from the ascending node period of the leader satellite, and a preliminary explanation for this phenomenon is presented. Then the compatibility between J ₂ invariant orbit and desired relative geometry is considered, and the design procedure for the initial values of the compatible configuration is proposed. The influences of measure errors on the invariant orbit are also investigated by the Monte–Carlo simulation. The project supported by the Innovation Foundation of Beihang University for Ph.D. Graduates, and the National Natural Science Foundation of China (60535010).     

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.

     

THE EVOLUTION CHARACTERIZATION OF LIBRATIN POINT ORBITS AND APPLICATION RESEARCH

三体问题中, 轨道的受力和运动规律非常复杂. 对于特定的任务, 如何选择轨道的初始解是一大难题.针对平面三体问题, 利 用近拱点庞加莱映射, 对平动点顺行轨道和逆行轨道的长期和短期演化性质进行分析.根据轨道的初始状态将其分为逃逸轨道和捕获轨道.对于逃逸轨道, 给出了同宿轨道和异宿轨道的设计方法, 并利用两级微分修正法消除了拼接点处的位置不连续问题.对于捕获轨道, 得到了几类典型的周期和准周期轨道.对逆行轨道的演化性质进行分析时发现, 逆行轨道通常为准周期轨道, 比顺行轨道更加稳定.利用近拱点庞加莱映射可以快速确定不同类型轨道对应的初始状态, 为特定任务需求下的轨道设计提供了一种快速而有效的选择方案.     

An improved nonlinear control strategy for deep space formation flying spacecraft

This paper aims to provide further study on the nonlinear modeling and controller design of formation flying spacecraft in deep space missions. First, in the Sun-Earth system, the nonlinear formation dynamics for the circular restricted three-body problem （CRTBP） and elliptic restricted three-body problem （ERTBP） are presented. Then, with the Floquet mode method, an impulsive controller is developed to keep the Chief on the desired Halo orbit. Finally, a nonlinear adaptive control scheme based on Nonzero set- point LQR and neural network is proposed to achieve high precision formation maneuver and keeping. The simulation results indicate that the proposed nonlinear control strategy is reasonable as it considers not only the orbit keeping of the Chief, but also the formation modeling inaccuracy. Moreover, the nonlinear adaptive control scheme is effective to improve the control accuracy of the formation keeping.