航天器深空飞行轨道设计

第1章 深空飞行及其轨道设计

1.1 深空飞行的意义

1.1.1 月球探测

1.1.2 火星探测

1.1.3 小行星探测

1.1.4 空间特殊点的利用

1.2 太阳系运动、深空飞行轨道及其特点

l.2.1 太阳系內的行星运动

1.2.2 深空飞行轨道及其特点

1.3 典型深空飞行轨道案例

1.3.1 典型的月球探测轨道

1.3.2 典型的行星探测轨道

1.3.3 典型的特殊点探测轨道

1.4 深空飞行轨道设计

1.4.1 时空系统

1.4.2 任务约束

1.4.3 路径规划

1.4.4 数学物理方法

1.4.5 本书看点

参考文献

第2章 行星际轨道机动

2.1 二体问题简述

2.2 Lambert问题

2.2.1 Lambert问题描述

2.2.2 Lambert问题的求解

2.3 Pork-Chop图

2.3.1 Pork-Chop图绘制方法

2.3.2 相合周期

2.3.3 轨道倾角和偏心率对发射窗口的影响

参考文献

第3章 借力飞行

3.1 N体问题

3.2 引力影响球确定及圆锥曲线拼接

3.2.1 引力相等影响球

3.2.2 常用的影响球

3.2.3 希尔球

3.2.4 仿真数据

3.3 借力飞行理论

3.3.1 无推力的引力辅助技术

3.3.2 有推力的引力辅助技术

3.4 借力飞行轨道优化设计

3.4.1 使用Tisserand图确定引力辅助序列

3.4.2 使用Pork-Chop图寻找粗略的引力辅助时间窗口

3.4.3 使用SNOPT寻找精确的引力辅助时间窗口

3.5 引力辅助技术的其他应用

3.5.1 共振轨道

3.5.2 通过引力辅助改变轨道倾角

3.5.3 通过引力辅助降低近地点距

3.5.4 深空机动技术

3.5.5 仿真算例一地木转移轨道

参考文献

第4章 行星际轨道修正

4.1 常用坐标系定义

4.1.1 EME2000惯性坐标系

4.1.2 以火星为中心的非惯性坐标系

4.1.3 以火星为中心的惯性坐标系

4.1.4 惯性系、非惯性系和本体系之间的联系

4.2 B-plane概念

4.2.1 期望打靶点的确定

4.2.2 真实打靶点的确定

4.3 打靶法

4.4 从近地圆轨道出发

4.4.1 最优入轨条件及分析

4.4.2 利用优化的方法求解入轨问题

4.4.3 仿真算例

4.5 轨道修正机动算例

4.6 进入目标行星任务轨道

4.6.1 坐标系的转换

4.6.2 期望打靶点的确定

4.6.3 仿真算例

参考文献

第5章 周期轨道与流形计算

5.1 圆型限制性三体问题简介

5.1.1 动力学方程

5.1.2 平动点及其稳定性

5.1.3 能量曲面与运动区域

5.2 共线型平动点附近的运动

5.2.1 相对共线型平动点运动的基本方程

5.2.2 共线型平动点附近运动的线性化

5.2.3 考虑高次项影响的共线型平动点附近运动

5.3 Lindstcdt-Poincare方法

5.4 Richardson三阶近似解

5.5 Halo轨道的计算

5.5.1 微分修正法简介

5.5.2 Halo轨道近似初值的微分修正

5.6 Lissajous轨道的计算

5.6.1 三阶近似解

5.6.2 Lissajous轨道的微分修正

5.7 平动点附近流形计算方法

5.7.1 相关概念和定理

5.7.2 流形的计算

5.8 流形的性质

5.8.1 共线型平动点附近运动线性化

5.8.2 线性化的相空间

5.8.3 域R申的流

5.8.4 非线性系统中的流及McGehee表示法

参考文献

第6章 流形拼接

6.1 流形拼接法简介

6.2 四体问题的简化模型

6.2.1 同心圆模型

6.2.2 双圆模型

6.3 日—地—月—航天器限制性四体系统模型分析

6.3.1 地—月旋转坐标系下航天器的动力学方程

6.3.2 日—地旋转坐标系下航天器的动力学方程

6.4 坐标系转换

6.5 二维流形拼接

6.6 三维流形拼接

6.6.1 庞加莱截面的选取

6.6.2 周期轨道离散化

6.6.3 庞加莱截面上的流形投影

6.6.4 拼接点的选取

6.6.5 仿真算例

参考文献

第7章 修正机动及站位保持

7.1 Halo轨道修正机动

7.2 轨道修正机动算例

7.3 Target Point方法与Floquet方法站位保持策略

7.3.1 目标点追踪法

7.3.2 Floquet模方法

7.3.3 控制模型及仿真算例

参考文献

第8章 小推力低能转移轨道

8.1 直接法

8.1.1 Hermitc-Simpson方法

8.1.2 Gauss-Lobatto方法

8.1.3 伪谱方法

8.2 Hermite-Simpson方法最优控制问题实例

8.2.1 增加Jacobian和Hessian矩阵

8.2.2 任意阶的Gauss-Lobatto方法

8.3 求解二体小推力轨道转移问题

8.3.1 时间最优和燃料最优问题

8.3.2 网格优化方法

8.4 求解三体小推力轨道转移问题

8.4.1 从GTO到L1的Halo轨道

8.4.2 从GTO到L2的Halo轨道

参考文献

第9章 嫦娥任务的轨道设计与控制

9.1 平动点任务轨道设计

9.1.1 约束条件

9.1.2 初步轨道设计

9.1.3 测控条件分析

9.2 月球逃逸轨道控制

9.2.1 数学模型

9.2.2 控制策略

9.3 平动点任务中途修正控制

9.3.1 数学模型

9.3.2 控制策略

9.4 Lissajous轨道维持

9.4.1 控制时机分析

9.4.2 测控实施方案

9.5 小行星任务轨道设计

9.5.1 小行星分布

9.5.2 交会目标选择

9.5.3 转移轨道设计

9.5.4 数值实例

9.5.5 实际飞行任务

参考文献

袁建平、赵育善、唐歌实等著的《航天器深空飞行轨道设计》分为9章。第1章介绍深空飞行及其轨道设计的意义及特点；第2章～第4章以两体问题为基础，介绍星际轨道机动、借力飞行、行星际轨道修正的理论和方法；第5章介绍三体问题，包括三体问题的动力学建模方法、三体问题的平动点、周期轨道与拟周期轨道、流形的性质与计算等；第6章介绍流形拼接理论与方法，它是深空转移轨道、天地节能运输轨道设计的基础；第7章介绍深空轨道修正机动及站位保持；第8章介绍小推力低能转移轨道控制与应用问题；最后结合我国嫦娥工程深度剖析了深空飞行任务轨道设计与控制问题。《航天器深空飞行轨道设计》针对深空飞行中多引力环境等特点，系统地阐述了多引力条件下航天器深空轨道设计的力学原理、动力学建模理论及轨道优化方法；结合我国嫦娥工程的工程实践，剖析了实际工程约束条件下的深空轨道和设计问题；适合航天工程和空间科学相关领域的工程技术人员和研究生阅读。 《航天器深空飞行轨道设计》由袁建平、赵育善、唐歌实等著。