考虑小行星非球状与太阳光压摄动的自然绕飞轨道动力学研究

An important means of an asteroid's proximity detection is orbiting about it with a low-orbit probe. The dynamic environment in the vicinity of an asteroid is complicated, and the probe easily tends to collide with or escape from the asteroid. This places great restrictions on the probe’s lifetime, which may increase the fuel consumption required by orbit control, and even affect the achievement of scientific research objectives. Therefore, studying the orbital dynamics in the vicinity of an asteroid, searching for stable natural orbits (without control), and using their characteristics to carry out orbital design are important steps in the asteroid exploration mission plan. On the basis of constructing a smooth shadow function related to the asteroid’s shape and spin, this project considers the perturbations from asteroid's non-spherical shape and solar radiation pressure, and improves the equations of the probe orbital motion about the asteroid. The long-term evolution of the probe orbit will be studied, and the joint effect of these two perturbations will be systematically analyzed. Stable orbits that enable the spacecraft to have a long lifetime in the vicinity of a specific asteroid will be searched. This project can enrich the theoretical study of the orbital dynamics in close proximity of asteroids, and also provides a theoretical basis for China's major needs such as deep space exploration, asteroid sampling and return, and near-earth asteroid defense.

利用低轨探测器绕飞小行星是开展近距离探测小行星的重要手段。而小行星附近的动力学环境复杂，探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸，这极大地制约了探测器的在轨寿命，会增加轨道控制所需的燃料消耗，甚至影响科研任务目标的达成。因此，研究小行星附近绕飞轨道的动力学，搜索稳定的自然绕飞轨道（无控制力），并利用其特性开展轨道设计是小行星探测任务规划的重要一步。本课题拟考虑小行星非球状摄动与太阳光压摄动联合作用，构造与小行星形状和自旋相关的平滑阴影函数，完善探测器在小行星附近的运动学方程；研究环绕小行星探测器轨道的长期演化，系统分析这两种摄动的联合作用机理；结合具体小行星，搜索其附近能使探测器具有较长在轨寿命的稳定自然绕飞轨道。本项目可丰富小行星接近段轨道动力学的理论研究，也可为我国深空探测、小行星采样返回、近地小行星防御等重大需求提供理论基础。

利用低轨探测器绕飞小行星是开展近距离探测小行星的重要手段。而小行星附近复杂的动力学环境对其周围自然绕飞轨道的存在性和稳定性提出了重大挑战。寻找稳定自然绕飞轨道，并利用其特性开展轨道设计是小行星探测任务规划的重要一步。本项目结合理论分析和数值模拟系统研究了考虑小行星非球状引力与太阳光压摄动的自然绕飞轨道动力学特性。建立了考虑这两种摄动和小行星阴影遮挡的动力学模型。提出了一种能够快速确定出小行星附近长寿命自然绕飞轨道的类型和存在区域（初始轨道根数的范围）的半解析方法。使用该方法找到了小行星Apophis附近存在的两类潜在长寿命自然绕飞轨道：轨道半长轴较小的向日轨道族（包括顺行和逆行）以及轨道半长轴覆盖范围广的晨昏线轨道族。并使用高保真数值模型下的探测器轨道演化验证了半解析解的合理性。通过对比分析考虑不同摄动项组合情况下可能存在的长寿命轨道的类型与存在区域特征，揭示了太阳光压以及阴影遮挡对探测器自然绕飞轨道存在情况的影响机理。对比小行星-探测器系统的物理参数（如小行星引力参数、探测器面质比、探测器反射系数等）取不同值时获得的半解析解，研究了它们对冻结轨道的存在性和存在区域的影响。本项目研究成果丰富了小行星接近段轨道动力学的理论，也为我国小行星探测、近地小行星防御等重大任务提供了理论基础。

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