[发明专利]一种基于气动力辅助的平衡点周期轨道捕获方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种周期轨道的捕获方法，尤其涉及一种太阳-行星-探测器三体系统下周期轨道的捕获方法，适用于探测器由星际转移轨道进入平衡点周期轨道的过程，属于航空航天技术领域。

背景技术

平衡点是太阳-行星-探测器三体系统中具有特殊性质的点，位于平衡点的物体相对太阳和行星保持相对静止。平衡点附近存在满足一定速度位置约束的围绕平衡点运动的周期轨道，位于周期轨道上的物体同样相对太阳和行星保持基本不变的位置关系，同时具有相对稳定的热力学和电磁学环境，适合开展行星探测和空间观测任务，是未来探测器的理想工作地点。同时平衡点及其周期轨道具有相对较高的能量，相比将探测器捕获至环绕轨道，捕获至平衡点周期轨道所需的速度增量较小，适合作为探测器与行星交会后的目的轨道。

在已发展的关于将探测器捕获至平衡点周期轨道的方法中在先技术[1](参见M.Nakamiya,D.J.,Scheeres.AnalysisofCaptureTrajectoriesintoPeriodicOrbitsAboutLibrationPoints[J].JournalofGuidance,ControlandDynamics,2008,Vol.31,No.5.)给出采用近心点增加机动的平衡点轨道捕获方法，对周期轨道的稳定流形逆向积分至行星附近，绘制稳定流形前4次近心点相对行星的位置，并选择近心点高度较低的一条稳定流形作为转移轨道，但探测器以双曲线轨道到达近心点时施加机动进入稳定流形，沿稳定流形无动力进入平衡点附近周期轨道，实现捕获。该捕获轨道方法利用了三体系统下的特殊性质，转移时间长，周期轨道入轨无需额外速度增量，但在近心点时需要施加机动，当双曲线剩余速度很大时，所需的速度增量需求较大。

在先技术[2](参见DavidM.C.,JamesO.A.TechnologiesofAerobraking[R].NASATechnicalMemorandum102854,1991March.)给出采用大气阻力实现行星捕获的轨道设计方法。对于存在大气层的行星，通过优化探测器的大气进入角，使探测器的轨道穿越大气层，利用行星的大气阻力降低探测器的速度，实现探测器的捕获。该方法可以使用较低的速度增量将探测器捕获至环绕轨道，但无法将探测器捕获至平衡点附近周期轨道。

发明内容

本发明公开的一种基于气动力辅助的平衡点周期轨道捕获方法，要解决的技术问题是提供一种太阳-行星-探测器三体系统下周期轨道捕获方法，基于气动力辅助实现将探测器捕获至平衡点附近周期轨道，且使所述的周期轨道捕获方法具有消耗燃料极小、捕获机会多、灵活性高等优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于气动力辅助的平衡点周期轨道捕获方法，通过建立探测器在气动力下的运动方程，并确定探测器在大气内运动的控制量变化规律，利用探测器进入行星大气的一段轨道将星际转移轨道与平衡点周期轨道的稳定流形相连接，实现行星-太阳-探测器三体系统的周期轨道捕获。探测器首先进入行星大气，利用气动力辅助减速，并在离开大气时进入行星-太阳-探测器三体系统下的稳定流形，沿稳定流形无动力滑行至周期轨道实现捕获。该方法具有所需速度增量极小，捕获机会多，灵活性高的特点，适用于具有大气的行星平衡点周期轨道捕获。

本发明公开的一种基于气动力辅助的平衡点周期轨道捕获方法，包括如下步骤：

步骤一：在太阳-行星质心旋转系下建立探测器运动方程，确定太阳-行星-探测器三体系统平衡点位置。

选择太阳-行星系统的质心作为原点建立坐标系，选择X轴为太阳与行星连线方向，由太阳指向行星，Z轴为系统旋转的角速度方向，Y轴与X，Z轴垂直构成右手坐标系。

探测器在太阳-行星-探测器三体坐标系下的运动方程表示为，