论文摘要
水星探测对研究太阳系演化和生命起源具有重要意义。水星是太阳系最内侧的行星，其公转轨道有着不可忽略的偏心率，这就导致环绕水星的航天器会受到周期时变的太阳引力影响。本文特别针对这种轨道动力学环境，对水星环绕轨道的轨道动力学和轨道保持控制等问题进行研究。当航天器在水星影响球内运行时，本文考虑了来自太阳的椭圆第三体摄动以及水星非球形摄动中的J2，J3项，对环绕轨道的动力学环境进行建模。为研究轨道根数的长期变化趋势，本文采用了Lie变换的方法对水星环绕轨道进行双平均化。平均化后系统降为单自由度系统，此时哈密顿正则方程的平动点即为通常意义上的冻结轨道。本文探讨了航天器偏离目标冻结轨道的轨道修正问题，在二体模型中针对同一轨道上的不同e相点，设计了转移至新的目标冻结轨道的轨道转移方案，分析了不同相点上向冻结轨道进行轨道转移的可行性和能量消耗，而后将轨道转移方案在摄动条件下加以修正。冻结轨道的存在条件有限，不一定能够满足实际任务的约束。因此，本文提出了一种基于平均化模型和参数优化的连续小推力控制律，通过连续推力调节每种摄动的大小以使其符合冻结轨道的存在条件，实现水星环绕轨道的人工冻结。本文选取了与每项摄动相关的伪摄动参数作为待优化参数，并推导了人工冻结轨道的冻结条件及约束方程，搜寻最优的伪摄动参数，以使轨控效率达到最佳。通过大范围的仿真算例，本文分析了伪摄动参数随相关轨道根数的演化情况，并对本方法的可行性进行评估。最后，本文研究了环绕水星的高轨准周期轨道。这类轨道的尺寸极大且不具有严格意义上的周期性，有些轨道大大超出水星影响球半径的大小。为此，本文将在太阳-水星系统所对应的椭圆限制性三体问题下对高轨准周期轨道进行探讨。本文根据水星动力学环境和航天任务需求，定义了水星高轨准周期轨道，利用同伦法从圆限制性三体问题中的逆行和顺行周期轨道族出发，逐渐提高椭圆限制性三体系统中的偏心率，最终求得太阳-水星系统中的高轨准周期轨道。最后，本文研究了这类准周期轨道较长期运行的稳定性。