摄动分析法在小推力轨道优化中的应用-紫金山天文台.PDF

第卷第期 天 文 学 报 年月 摄动分析法在小推力轨道优化中的应用 胡寿村1,2,3 赵玉晖1,2 季江徽1,2 侯锡云4,5 中国科学院紫金山天文台南京 中国科学院行星科学重点实验室南京 中国科学院大学北京 南京大学天文与空间科学学院南京 南京大学现代天文与天体物理教育部重点实验室南京 摘要 在对太阳系近地小行星的多目标多任务探测中 从大量小行星中快速筛选出可到 达目标小行星是小推力轨道设计中一直在努力解决的问题 考虑了小推力作用下的探测 器在行星际空间中的轨道运动 通过借鉴天体力学中摄动分析法的思想将小推力作为摄 动力来考虑 给出了阶意义下给定时间内两条开普勒轨道在小推力作用下得以转移成功 的必要条件 该条件形式上为几个始末轨道根数差的简单组合 计算量极小 可以用来迅 速剔除掉许多无法在给定时间和小推力作用下直接到达的小行星 数值结果验证了近地 小行星探测情况下该条件的有效性 关键词 天体力学 摄动理论 天体力学 人造卫星运动 行星与卫星 探测 小行星 普 通 方法 解析 中图分类号 文献标识码 引言 小行星是太阳系形成过程中的残留物质, 保留了太阳系形成之初的许多重要信息, 因此对小行星的物质成分、内部结构、轨道分布和形成演化等开展研究对深入了解太 [1−2] 阳系形成乃至地球生命的起源具有重要科学意义 . 特别是对于对地球有潜在威胁的 近地小行星开展深入研究具有更加现实的意义. 然而由于小行星个头较小, 且望远镜口 径存在限制, 难以对小行星形貌开展细致观测, 最好的方式就是发射探测器对其进行近 距离探测. 在过去几十年的深空探测任务中, 大部分采用的是大推力化学推进方式将探测器送 达目标行星. 相比之下, 离子电推进方式由于比冲高(是化学推进的几十倍), 应用于深空 收到原稿 收到修改稿 国家自然科学基金项目、、、江苏省自然科学基金项 目、中国科学院新兴与交叉学科布局试点项目、中国科学院行 星科学重点实验室开放课题 和紫金山天文台小行星基金会资助 期 胡寿村等 摄动分析法在小推力轨道优化中的应用 探测任务中可大大提高载荷重量. 美国于1998年发射的深空一号探测器成功验证了高比 冲电推进方式用于行星际探测任务的可行性, 也使得小推力转移轨道的设计问题成为关 [3] 注的热点 . 而欧空局的Smart-1、日本的Hayabusa 以及美国的Dawn探测器则以实际探 测任务证明了电推进方式确实可以应用于深空探测任务中. 在国内外历届空间轨道设计 竞赛中, 应用连续电推进方式针对近地小行星的多目标多任务轨道设计也是其中一个主 [4−7] 要讨论的问题 . 电推进发动机虽然比冲高, 但推力一般较小, 因此常称为小推力发动机(如日本的小 行星探测器Hayabusa上4个电推进发动机总共产生的推力大小仅为0.032 N[8]), 其相应 的轨道设计问题与传统的化学推进方式不同. 一般将小推力轨道优化设计问题分为全局 优化和局部优化两个部分. 全局优化主要用于在满足给定约束条件下确定探测序列和探 测方式, 并初步确定时间节点以及节点处的速度, 主要包括圆锥曲线拼接法和标称轨道 法; 局部优化则是根据全局优化给出的初步轨道转化为符合约束的小推力轨道, 主要包 [4] 括直接法、间接法和混合法 . 从目前研究进展来看, 小推力局部优化方法已臻于成熟,