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.      

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.      

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。     

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。     

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.     

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.      

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.     

基于星历匹配法的载人小行星探测轨迹优化问题求解

对基于星历匹配法的载人小行星探测轨迹优化问题解法进行了研究. 提出星历匹配法的概念,利用其求出最优发射窗口初值与候选最优探测序列,然后利用遗传算法对特定探测序列的时间节点等参数进行优化,最后利用基于庞德里亚金极大值原理的同伦法进行小推力转化以求得最终探测轨道及其推力控制律. 结果显示星历匹配法可以快速准确地求出最优发射窗口初值与候选探测序列,这大大提高了载人小行星探测等多目标交会探测问题的求解效率.     

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.     

2010年国际深空探测轨道优化竞赛的国防科技大学解法

国际深空探测轨道优化竞赛是国际航天界的一项大型综合性赛事, 直接反应了各国开展深空探测任务轨道设计与优化的实力. 结合课题组参加2010年举办的第五届比赛情况, 从初步分析、小行星序列选取、小推力轨道设计和轨道演算与数据输出四方面进行了比赛历程回顾, 给出了最终的设计结果, 并总结了参加比赛的收获与不足.     

机器人单足系统沙土跳跃刚?散耦合动力学分析

在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题, 因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型, 从而优化其系统构型. 近年来, 对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注. 本文采用离散元法对颗粒场进行建模, 以及采用多体动力学方法对机械系统进行建模, 对机器人单足系统在沙土上的跳跃问题进行耦合动力学仿真分析. 基于经典土力学Prandtl-Reissne理论, 从颗粒场受压分层的形式和动量传递出发, 对描述颗粒侵入阻力的惯性力动阻力项进行了修正, 提出了一种修正的Poncelet公式. 通过与离散元仿真结果对比, 说明所提出修正公式比原始的Poncelet公式更准确地计算了机械足受到的沙土侵入阻力, 尤其在达到一定侵入深度表现出更好的收敛性. 最后分析了机械腿足部的不同尺寸和形状对沙土中跳跃效果的影响, 给出了锥形足部和柱形足部的体积对跳跃效果影响的近似计算公式. 本研究将拓展刚?散耦合动力学理论, 并且为新型探测器在行星土壤上运动的系统设计提供技术支撑.      

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.     

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.      

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.     

第三届深空轨道设计竞赛冠军团队方法与结果

介绍了2011 年第3 届全国深空轨道设计竞赛冠军团队中科院空间应用工程与技术中心(筹) 的设计方法与结果.设计方法包括总体设计思路、小推力转移轨道优化方法、小推力轨道简化模型、行星引力辅助序列设计、小行星搜索方法等. 给出了具体设计步骤以及初步和最终的设计结果. 最后, 总结了从此次设计过程中获得的若干经验与启示.     

磨损与动力学耦合的行星传动齿轮动力学研究

行星齿轮磨损会导致齿轮齿侧间隙非线性增大、传动精度下降、齿面冲击力增大, 进而会导致齿轮传动系统振动加剧, 因此需要对行星齿轮的齿面磨损与动力学耦合特性进行研究. 本文构建了齿轮非线性磨损与考虑齿轮齿侧间隙的非线性动力学耦合计算模型, 对行星传动齿轮磨损动力学特性进行了研究. 首先建立齿轮啮合非线性动力学模型, 获得齿轮运行过程中的非线性啮合力; 进一步将非线性啮合力与齿轮齿面磨损模型相结合, 研究齿轮齿面磨损分布规律; 并根据齿轮磨损后的齿侧间隙对齿面重构, 同时对齿轮动力学模型进行更新; 进而得到行星齿轮传动中动态啮合力和磨损特性的变化趋势, 并获得齿轮传动系统齿轮齿向振动响应. 数值计算结果表明, 行星齿轮磨损导致齿轮在单?双齿交替啮合时产生的冲击增大, 同时太阳轮?行星轮啮合齿对对磨损较为敏感, 齿面啮合条件剧烈恶化, 是造成行星齿轮传动性能退化的主要原因, 本文研究结果为行星齿轮传动系统运行状态评估与可靠性预测提供了理论基础.      

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.