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摘要：本论文以深空探测为背景,探讨深空探测中与轨道相关的不足。根据目标天体的不同,探讨策略也有所不同。本论文主要有两部分：火星探测和小行星探测,它们分别代表大天体和小天体的探测,每一部分均涉及两种类型的轨道,即转移段轨道和环绕段轨道。对于地球至火星的转移轨道,本论文采取大推力转移和小推力转移两种手段进行探讨。对于前者,由于火箭发射能力的限制,且以节省能量的角度,需要尽可能选择总耗费能量较小的时间窗口,然后利用经典的三段拼接策略得到简化力模型中的转移轨道,并给出各个变量之间的联系及其取值范围,以便能较快判断能否给出满足约束的轨道。对于满足约束的拼接轨道,利用微分修正法(即打靶法)获得实际力模型中的地火转移轨道。对于小推力转移轨道则有所不同,它对时间窗口的要求并不像大推力转移轨道那样严格,仅需要总转移时间合适即可。根据小推力转移轨道的特点,将整条轨道分成地心段、日心段和火心段三段,地心段和火心段的运转时间较长,由此采取以时间为优化指标的最优制约对策,通过对近似微分方程的求解,得到这个最优制约不足的近似解,以而将最优制约不足简化为计算量较小的轨道积分不足。日心段则采取燃料最优制约。针对每段的特点进行求解后,便可以通过调整时间变量将这三段轨道光滑地拼接起来,以而完成对小推力转移轨道的设计。当探测器到达火星以后,便需要对环火轨道进行探讨。火星与地球类似,是快自转行星,但火星引力场状态却与地球的状态有显著差别,其非球形引力位中的赤道椭率项J2，2接近于它的动力学扁率项J2，且其它谐系数也相对较大。由此在构造浅析解的时候,联合项尤其是J2与J2，2的联合摄动不可忽略。除此之外,火星的两颗自然卫星距离火星较近,对于火星高轨卫星的影响不可忽略。而这两颗自然卫星没有像大行星那样完整的浅析历表,这些均是本论文需要解决的不足。文中推导了联合项摄动的浅析公式和这两颗自然卫星的第三体摄动公式,建立了火星卫星的浅析解,并将浅析解运用到两颗自然卫星上,对公式进行简化和平滑掉短周期项后给出了平均历表的系数表达式,以而解决了所需要的两颗自然卫星的浅析历表不足。将火星卫星浅析解的结果和两颗自然卫星的浅析历表与高精度的数值解比较,前者外推1-2d误差在500m的量级,而后者若要将误差制约在0(10-4)的量级,火卫一和火卫二的外推时间约为180d。小行星探测一般为多目标多任务的探测,本论文以三颗小行星为目标天体进行探测。由于小行星的引力范围较小,由此转移段的轨道设计相对于大行星较为简单,但涉及多颗目标天体,这便给最佳发射窗口的寻找带来一定的麻烦。本论文按照约束条件和任务类型的特点,将整条轨道合理分成两段进行分别设计。对于小推力轨道的设计,先给出大推力转移轨道中消耗能量最小且转移时间适中的轨道,然后以小推力轨道替代,得到局部最优的案例。按照上面陈述的思想利用电推进和化学推进两种系统给出了两种满足约束的设计案例：全程电推进的轨道设计与化学推进和电推进相结合的轨道设计。本次设计案例的策略和软件同样适用于其它多目标深空轨道的设计,仅需要转变相应的参数即可。除了飞越小行星以外,无论是环绕还是着陆小行星均需要探讨小行星的伴飞轨道。而通常由于小行星质量太小、引力较弱,由此很难形成类似大行星卫星那样的环绕轨道。本论文便针对伴飞弱引力小行星提出两种类型的伴飞轨道。第一种为小行星共线平动点附近Lissajous轨道和halo轨道;第二种为编队飞行轨道,直接伴飞小行星。由于这两种轨道与小行星的距离适中,由此不需要考虑小行星非球形引力摄动的影响,以而在对小行星资料了解不足的情况下可以作为中间任务轨道。文中首先给出这两种轨道的浅析解,然后以浅析解为初值,利用多点打靶法进行轨道修正得到实际力模型中的轨道。这两种轨道均是不稳定的,需要对其进行轨道制约。本论文采取了小推力制约和太阳帆板制约两种手段,所用的优化制约策略为最优线性反馈制约。对于太阳帆板制约,给出如下两种制约对策：一是固定太阳帆的面质比转变它的俯仰角和偏航角,另一是固定太阳帆的俯仰角和偏航角转变而质比。结果表明对于这两种类型的中间任务轨道,上面陈述的制约案例均可行。对于太阳帆板制约,转变太阳帆板面积的制约对策只能使得制约后的轨道在标称轨道一定距离附近振荡,由此制约效果不如转变方向角的制约对策。关键词：深空探测论文转移轨道论文浅析解论文小行星伴飞论文平动点论文
中文摘要4-6
英文摘要6-11
引言11-15
第一章 探测历史15-22
1.1 火星探测历史15-18
1.2 小天体探测历史18-19