[发明专利]一种基于弱稳定边界的两脉冲行星捕获轨道方法

摘要

本发明公开的一种基于弱稳定边界的两脉冲行星捕获轨道方法，涉及一种探测器在星际航行中被目标天体捕获进入任务轨道时的捕获轨道方法，属于航空航天技术领域。本发明包括如下步骤在太阳‑行星质心旋转系下建立探测器运动方程；确定太阳‑行星系统的弱稳定边界；根据目标任务轨道选定弱稳定边界系数e、探测器相对行星距离r0、探测器‑行星夹角θ；探测器施加第一次机动，由双曲线轨道进入弱稳定边界转移轨道；探测器施加第二次机动，由弱稳定边界转移轨道进入目标任务轨道，最终实现轨道捕获。本发明无需考虑行星的大气信息且不受行星大气不确定度影响，可靠性高，此外，本发明所需速度增量小、适用范围大、对于较高任务轨道高度的捕获轨道效果更佳。

主权项

一种基于弱稳定边界的两脉冲行星捕获轨道方法，其特征在于：具体实现方法包括如下步骤，步骤一：在太阳‑行星质心旋转系下建立探测器运动方程；其中坐标系的原点为系统的质心，X轴与太阳，行星连线重合，由太阳指向行星，Z轴与系统旋转的角速度方向重合，Y轴与X，Z轴垂直构成右手坐标系；探测器在该系统下的运动方程表示为，其中μ＝m2/(m1+m2)表示系统的质量系数，m1为太阳的质量，m2为行星的质量，为探测器与太阳的距离，为探测器与行星的距离；步骤二：确定太阳‑行星系统的弱稳定边界；在坐标系中建立探测器‑行星连线l，使连线与X轴夹角为θ，探测器与行星的距离为r0，探测器相对行星的初始速度为v0；速度方向与连线垂直，且满足其中e为选定的弱稳定边界系数；利用方程(1)对探测器的初始状态进行积分，至探测器再次穿越连线l为止；计算探测器末状态相对行星的二体能量若E<0，表示探测器的状态稳定；增大初始距离r0，对重新得到的初始状态积分，直至探测器的末状态相对行星的二体能量E≥0，得到夹角θ下的临界距离r*，改变夹角，能够得到任意夹角下的临界距离r*(θ)，从而求得在弱稳定边界系数e下的太阳‑行星系统弱稳定边界；步骤三：根据目标任务轨道选定弱稳定边界系数e、探测器相对行星距离r0、探测器‑行星夹角θ；探测器在弱稳定边界内的运动虽然保持稳定，但靠近边界处的探测器轨道 根数与初始参数相比会发生变化，特别是轨道的近心点高度rp会发生改变；根据目标任务轨道的近心点高度rt，选择合适的弱稳定边界系数e，以及弱稳定边界系数e下的探测器‑行星夹角θ和探测器相对行星距离r0，使探测器在弱稳定边界内的转移轨道运行若干轨道周期后轨道的近心点高度与目标任务轨道的高度重合；弱稳定边界系数e、探测器相对行星距离r0、探测器‑行星夹角θ选择通过绘制关系图插值或利用相关优化算法得到；步骤四：探测器施加第一次机动，由双曲线轨道进入弱稳定边界转移轨道；当探测器以双曲线轨道接近行星时，在轨道的近心点施加第一次机动，使双曲线轨道的状态满足根据步骤三得到的弱稳定边界系数e、探测器相对行星距离r0、探测器‑行星夹角θ；施加脉冲的大小为，其中v∞为探测器接近行星时的双曲线剩余速度，μm＝GM为行星的引力系数，能够由行星的质量M和万有引力常数G得到；步骤五：探测器施加第二次机动，由弱稳定边界转移轨道进入目标任务轨道，最终实现轨道捕获；探测器在弱稳定边界内运动，在探测器轨道的近心点高度与目标任务轨道的近心点高度重合时，施加第二次机动，使探测器从中间转移轨道进入目标任务轨道，最终实现轨道捕获；施加第二次机动脉冲的大小为，其中rt为任务轨道的近心点高度，et为任务轨道的偏心率，ei为转移轨道在轨道近心点处的偏心率。