火星轨道器动力学与稳定性研究

本课题着重研究了火星探测轨道动力学与稳定性问题。.以最新公布的火星轨道环境数据为依据，建立了高精度火星轨道动力学模型，考虑的因素包括：高精度非球形引力场模型（本研究采用了80x80阶次的GMM-2B火星引力场模型）、火星大气模型、太阳及行星摄动、光压力摄动等所有主要的摄动力。在此基础上发现了火星五种特殊轨道（太阳同步、静止、冻结、临界和回归）的存在条件和设计准则，这是环火轨道理论的基础性问题之一。详细研究了火星冻结轨道的特性，首先根据低阶模型求出近似冻结轨道，然后在全引力场模型下进行修正，发现了四种新的火星冻结轨道族，并给出了其稳定性判断。对于火星静止轨道，研究了静止轨道的漂移周期和漂移幅度，给出了求解环绕火星静止点周围周期轨道、同宿/异宿连接轨道的方法及其稳定性判据。应用平均化方法对太阳等第三体摄动做了平均化处理，平滑了短周期项，给出了第三体摄动对轨道的影响机制。对临界倾角的概念进行了拓展。与传统的方法相比，在临界倾角设计中引入了J4后发现了两组新的临界倾角和有时传统的临界倾角也发生大幅度变化的现象。.此外，开展了不规则引力场中运动行为与稳定性分析的研究。发现了计算不规则引力场中周期轨道的一般方法，并根据哈密顿系统拓扑结构，对各种周期轨道进了分类，给出了各类族周期轨道的稳定性。该方法可用于更一般性哈密顿系统的周期轨道计算问题。研究了不规则引力场中的一般轨道的分类和类型。根据轨道最终的命运，分类出了13种不同类型的轨道，包括：周期的、捕获的、逃逸的、着陆的、抛出的等等。从而比较彻底地解决了不规则天体周围轨道的运动特性和稳定性问题。