[发明专利]基于不变流形与引力辅助的低能量行星逃逸轨道设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于不变流形与引力辅助的低能量行星逃逸轨道设计方法，特别适合于利用动平衡点的低能量深空探测任务轨道设计，属于航天器轨道机动技术领域。

背景技术

三体动力学系统中动平衡点及附近的周期轨道因其特殊的位置和动力学特性在空间探测任务中具有重要的应用价值，截止目前全球已成功实施了多次动平衡点轨道任务，例如ISEE-3、SOHO、Genesis等。近些年一些学者提出可将动平衡点作为深空探测中继站的构想，这为低能量实现深空探测提供了新的转移方式。由出发星附近动平衡点周期轨道向深空逃逸的轨道设计是该类型转移方式应用的一个重要基础，目前对这一问题的研究较少，且多集中于直接转移或利用不变流形直接逃逸出发行星引力场的方式。由于太阳—行星系统的质量比通常较小，单纯借用不变流形对逃逸探测器飞行轨迹进行改变的效果不明显，无法达到有效降低燃料消耗的作用，同时还大大延长了飞行时间。若同时利用不变流形和行星引力辅助则可以大幅度的降低探测器由周期轨道逃逸出发行星的燃料消耗，达到进行行星际转移所应具备的能量。然而，在三体动力学系统下，探测器在行星附近的轨道动力学非线性很强，采用传统的轨道动力学方法对逃逸轨道进行设计异常困难。如何选择合适的不变流形分支，计算机动点的需要施加的速度脉冲，即发展一种可靠有效的从周期轨道实现行星逃逸的轨道设计方法是当前需要解决的热点问题。

在已发展的低能量行星逃逸轨道设计方法中，在先技术[1](Alonso G.P.The design of system-to-system transfer arcs using invariantmanifolds in the multi-body problem[D].Purdue University,Indiana,USA.2006.），针对日地系统Halo轨道至日火系统Halo轨道间的脉冲转移轨道设计问题，给出了一种直接借助不变流形的转移轨道设计方法。在地球逃逸阶段，根据Halo轨道不变流形与火星轨道的接近程度选择合适的流形分支，然后根据日心轨道二体能量的变化选取出在不变流形上的机动位置和需要施加的速度脉冲。该方法只是针对于单纯借助不变流形逃逸地球引力场这一问题研究的，无法适用于结合不变流形与行星引力辅助的低能量逃逸轨道。

在先技术[2]（Nakamiya M.,Yamakawa H.and Scheeres D.J.,Yoshikawa M.Interplanetary Transfers Between Halo Orbits:Connectivity Between Escape and Capture Trajectories [J].Journal ofGuidance,Control and Dynamics,2010,33(3):803-813.）,针对日地Halo轨道向日火Halo轨道转移问题，采用了结合不变流形与行星引力辅助的地球逃逸和火星俘获策略实现转移。该技术中只是对这一类型的转移方式的性质进行了分析，对地球逃逸和火星俘获需要的燃料消耗进行了初步评估，并未给出具体的流形分支选择和速度脉冲计算方法，无法用于实际的低能量行星逃逸轨道的设计问题。

发明内容

本发明针对现有技术无法实现燃料最省、不变流形分支选择和机动脉冲计算等问题，提出了一种基于不变流形与引力辅助的低能量行星逃逸轨道设计方法。

本方法基于近拱点庞加莱映射的分段匹配，适合于基于不变流形与引力辅助的低能量行星逃逸轨道设计问题。首先通过引入近拱点庞加莱映射得到不变流形在近拱点处的轨道状态集；然后，根据实现行星际转移所需逃逸双曲线超速要求，采用数值迭代方法计算轨道状态集中不变流形每一分支应施加的机动脉冲，通过机动脉冲大小对比可以确定燃料最省逃逸对应的不变流形分支和需要的机动脉冲。

本发明方法的技术方案是通过如下步骤实现的：

步骤1，行星周围近拱点计算

由于在行星周围近拱点处改变轨道的能力最强，故逃逸点选在近拱点达到消耗较少的燃料完成逃逸的目的。为完整描述不变流形在行星周围的近拱点，引入近拱点庞加莱映射。

旋转坐标系下，令χ=[x-1+μ,y]表示航天器相对于行星的位置矢量，μ为太阳-行星三体模型中的质量比，则航天器处于近拱点的约束表示为：