小行星引力场中考虑航天器姿轨耦合效应的轨道动力学

Driven by the scientific exploration, hazard mitigation, and resource exploitation, space missions to small celestial bodies, i.e., asteroids and comets, will be an important part of the human beings’ future space missions. Unlike in previous large-distance missions, in the future close-proximity missions the spacecraft will work in the complicated dynamical environment in the close proximity of asteroids. Consequently, the spacecraft will be faced with several new problems on dynamics and control, one of which is the significant gravitational orbit-attitude coupling of the spacecraft caused by the very small orbit radius. To address the orbit-attitude coupling, the proposed project will take into account the gravitational orbit-attitude coupling perturbation (GOACP) in the close-proximity orbital dynamics for the first time to improve the precision of previous orbital models. The proposed project will carry out systemic research on the close-proximity orbital dynamics with GOACP, including equilibria of the system and their locus with respect to the spacecraft’s attitude, stability of the equilibria and its dependence on the system parameters, stable and unstable invariant manifolds of the equilibria and their locus with respect to the spacecraft’s attitude, and the attitude-change-based orbital control via gravitational orbit-attitude coupling. The proposed project will obtain a series of original results, not only revealing new properties and phenomena of orbital dynamics and enriching current theories of spacecraft dynamics and control, but also providing new theories, strategies, and methods for the future mission design and GNC technologies.

在科学探测、撞击防御和资源开采等目标的推动下，小天体任务将成为未来航天任务的重要组成部分。与以往远距离任务不同，在未来的近距离任务中航天器将运行于小行星附近的复杂力学环境中，面临动力学与控制的诸多新问题，其中之一是由极小的轨道半径导致的显著的航天器姿轨耦合。本项目针对该问题，首次引入航天器姿轨耦合摄动，以提高现有轨道动力学的精度。项目将深入研究小行星引力场中考虑航天器姿轨耦合摄动的轨道动力学，研究内容包括：系统的平衡点位置及其随航天器姿态的变化轨迹；系统平衡点的稳定性及其对系统参数的依赖性；系统平衡点的稳定流形和不稳定流形及其随航天器姿态的变化规律；尝试利用姿轨耦合摄动，提出通过改变航天器姿态进行轨道控制的新方法。本项目将获得一系列原创性成果，不仅能够丰富航天器动力学理论，揭示轨道运动的新性质和新现象，还能为未来的小行星任务设计、导航与控制技术提供新理论、新思路和新方法。

在科学探测、撞击防御和资源开采的推动下，小天体任务将成为未来人类深空任务的重要组成部分。与小天体探测任务不同，未来的撞击防御和资源开采任务将要求大型航天器运行于小行星近距离附近。航天器尺寸与轨道半径的比值将比地球附近的传统场景大四到五个数量级，导致显著的航天器姿轨耦合效应，是轨道动力学与控制的一个新问题。.本项目针对该问题，首次在小行星近距离轨道动力学模型中引入航天器的姿轨耦合摄动，以提高现有轨道动力学模型的精度，并研究新模型的动力学特性和轨道控制问题，主要研究内容和研究结果如下：.1、提出了一种高精度的航天器姿轨耦合摄动模型，把小行星和航天器分别建模为多面体和一般刚体，可对小行星的不规则形状精确建模。航天器的引力势和姿轨耦合摄动最终可表示为航天器位置、姿态和惯性积分的表达式，并根据精度需要保留到航天器的二阶惯性积分，即惯性矩。.2、推导并分析了姿轨耦合摄动的表达式和幅值大小，发现与小行星的非球形引力摄动相比，其显著程度取决于航天器与小行星尺寸的比值。对于未来的大型航天器，姿轨耦合摄动将与小行星的非球形引力摄动同样显著。进一步将姿轨耦合摄动与太阳三体引力和太阳光压力摄动比较，发现对于运行于小行星近距离附近的大型航天器，姿轨耦合摄动将更为显著，需要在高精度动力学建模和控制中加以考虑。.3、提出了限制姿态的轨道动力学的概念，采用分析法和数值法计算了不同航天器姿态下小行星赤道面内的非主轴平衡点、小行星主经度面内的非赤道平衡点和小行星主平面之外的面外平衡点，系统得到了平衡点的完整分布，并计算和分析了平衡点的稳定性和不变流形，考察了航天器姿态的影响。.4、通过选择合适的航天器姿态，可利用姿轨耦合摄动实现在特定平衡点的悬停。针对该应用，分析了引力梯度力矩带来的角动量饱和和卸载问题，发现在航天器姿控系统的工作范围以内，并用数值仿真验证了轨道悬停的可行性。研究结果为未来小行星附近大型航天器的悬停控制提供了大量和分布广泛的自然悬停位置。