基于空间三体模型的低能量探测轨道特性分析

论文摘要

本文主要对基于三体模型设计的空间探测任务的轨道特性,轨道设计,以及空间三体轨道的实际应用等问题进行了研究。研究的内容和成果主要包括以下几个方面:首先,建立了空间飞行器的三体动力学模型,得到了空间三体动力学方程的五个特解。利用勒让德级数对平动点附近的方程进行了展开,得到了平动点附近方程的近似解,得到了共线平动点附近的周期和拟周期轨道。对影响空间探测任务的三个共线平动点的稳定性进行了分析,得出了共线平动点不稳定的结论,在小的扰动下平动点附近的流形就会发生结构性的变化;其次,以空间围绕拉格朗日点的周期轨道为基础研究了日地三体模型和地月三体模型下空间的流形的走向和形态,对于由周期轨道生成的空间流形构成的管状通道进行了分析。以简单的周期轨道为基础构造了复合周期轨道,得到了两种模型下各自Halo轨道之间的零消耗转移轨道,研究了对这两种模型下的流形轨道进行拼接的问题;然后分析了从平动点附近出发的轨道特性,发现飞行器在无动力的条件下从平动点出发是不能到达地球近旁的,同时研究了从近地圆轨道出发的轨道特性,得到了从近地圆轨道到达平动点从而进行深空探测的较好的出射角;最后,对三体轨道的稳定性进行了分析,研究了三体模型下轨道的控制问题,给出了利用多模型切换轨道控制方法和几何控制方法对三体模型的转移轨道方案进行了设计,并在探月任务中将基于三体模型设计的轨道和霍曼转移进行了能量比较。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 利用三体模型进行轨道设计和分析的方法
• 1.3 利用三体模型进行轨道设计的研究现状
• 1.4 本文所做的工作
• 第2章 空间三体模型的建立及分析
• 2.1 引言
• 2.2 建立三体动力学模型
• 2.3 分析平动点附近的结构
• 2.4 平动点附近的周期及拟周期解
• 2.4.1 平动点附近的一阶近似解析解
• 2.4.2 平动点附近的三阶近似解析解
• 2.4.3 周期轨道的数值近似解
• 2.5 本章小结
• 第3章 三体流形轨道的特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 日地三体与地月三体模型下的转移轨道流形结构
• 3.2.1 三体轨道的混沌动力学
• 3.2.2 复合周期轨道及其生成的不变流形
• 3.3 通过地月平衡点L1 的轨道
• 3.4 完整的低能量转移轨道
• 3.4.1 低能量转移轨道的三个阶段
• 3.4.2 基于三体模型的火星探测轨道设计方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于三体模型设计的转移轨道控制
• 4.1 引言
• 4.2 三体模型轨道的稳定性分析
• 4.3 基于三体模型的多模型切换控制
• 4.4 三体模型轨道的非线性几何控制
• 4.5 探月任务中三体模型轨道与霍曼轨道的能量消耗比较
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢