太阳帆轨道姿态动力学与控制研究

太阳帆航天器在很多方面较传统航天器具有很大的优势。首先，太阳帆利用光压力作为动力，理论上无需携带推进剂。其次，太阳帆能产生很多特殊轨道，这些轨道是执行很多任务的理想场所。太阳帆的动力学与控制问题是实现太阳帆任务的关键技术之一，其研究成果可以为太阳帆在工程上的实现奠定理论基础。与传统航天器相比，太阳帆的动力学与控制将会面临很多新的问题。首先太阳帆的轨道与姿态是相互耦合的，太阳帆的轨道控制是通过控制太阳帆的姿态实现的。本项目研究目标是借助动力学分析掌握太阳帆在轨的动力学的特性，研究有效的太阳帆控制方式，包括控制器的设计和实现。大尺寸的太阳帆在制造和动力学方面都面临太大的挑战，利用小帆编队实现大帆的功能是解决问题的一种方案。借鉴课题组在深空探测编队飞行动力学与控制方面的研究经验，本项目进行编队太阳帆之间相对运动的动力学特性定性分析。最后，研究利用太阳帆不变流形进行轨道转移的方法。

该基金系统的研究了太阳帆动力学与控制问题，解决了其中的几个关键问题。首先，太阳帆的轨道与姿态是相互耦合的，太阳帆的轨道控制是通过调节太阳帆的姿态实现的。项目通过对姿态轨道耦合动力学进行分析，研究了耦合系统稳定的条件，研究表明可以通过设计太阳帆的构型可以使得太阳帆的轨道和姿态同时稳定，并且通过几种不同的设计验证了该结论。另外，第一次提出了太阳帆不变流形的概念，结合太阳帆的动力学特性，分析了太阳帆不变流形的特点，指出太阳帆不变流形与传统航天器不变流形之间的联系与区别，给出了太阳帆不变流形的应用，包括利用不变流形设计从地球到人工拉格朗日点的转移轨道、人工拉格朗日点之间的转移轨道以及人工拉格朗日点与经典拉格朗日点之间的转移问题。另一方面，大尺寸的太阳帆在制造和动力学方面都面临太大的挑战，利用小帆编队实现大帆的功能是解决问题的一种方案，通过分析太阳帆相对运动的动力学特性，研究了不同的太阳帆轨道附近的相对运动的动力学特性，给出了相对运动稳定的条件，对于不稳定的情况，研究了相对运动的控制方法。对于日心和行星悬浮轨道附近的编队，讨论了几种简单的控制律下悬浮轨道附近相对运动的稳定性。对于地磁尾探测轨道，研究了周期轨道附近的自然编队，由于该周期轨道的周期与轨道的长半轴、偏心率和轨道倾角有关，因此，自然编队的条件非常复杂，给出了几种特殊的自然编队构型的条件。同时，研究了非自然编队情况，讨论了利用太阳帆的姿态进行编队控制、利用姿态和太阳帆光压因子进行控制的方案。在太阳帆的应用方面，研究了太阳帆在改变小行星轨道方面的应用，提出了三种全新的改变小行星轨道的方法，第一种是利用小的太阳帆编队对小行星的引力改变小行星的轨道，指出了该方法的优缺点。第二种方法是利用太阳帆汇聚太阳光使得小行星表面的物质蒸发对小行星产生推力改变小行星的轨道，分析了该系统的动力学与控制难题，并提出了解决方案。第三种方法是利用太阳帆逆行轨道实现与小行星头对头的碰撞，碰撞速度可以达到100km/s以上。通过该基金的研究，解决了太阳帆动力学与控制方面的几个难点问题，同时，提出了太阳帆的一些新的应用，为太阳帆工程化奠定了基础。