不规则小行星引力场内的飞行动力学-力学进展

力学进展,2017年,第47卷:201712

不规则小行星引力场内的飞行动力学

李俊峰1,†曾祥远2,∗

1清华大学航天航空学院,北京100084

2北京理工大学自动化学院,北京100081

摘要小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.

绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.

由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作

用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引

力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局

部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.

关键词小行星探测,不规则引力场,局部流形,周期轨道,悬停轨道

中图分类号:P185.7文献标识码:A DOI:10.6052/1000-0992-16-042

收稿日期:2016-11-15;录用日期:2016-12-28;在线出版日期:2017-01-20

†E-mail:lijunf@

∗E-mail:zeng@

引用方式:李俊峰,曾祥远.不规则小行星引力场内的飞行动力学.力学进展,2017,47:201712 Li J F,Zeng X Y.Flight dynamics over irregular asteroids.Advances in Mechanics,

2017,47:201712

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430力学进展第47卷:201712 1引言

地球是人类的摇篮,但人类不能永远躺在摇篮里——伟大的航天之父齐奥尔科夫斯基早在一个多世纪前,就预言了人类科技的前沿.经过不懈的努力,人类终于在20世纪50年代冲破了地球引力的束缚,开启了航天探测的伟大时代.自1957年第一颗人造卫星上天至1977年“旅行者号”探测器成功发射,人类在短短的20年间便已开展了对太阳系内各大行星、月球以及太阳的探测任务,激发了一代人航天探索的热潮.上述任务的成功实施,增进了人们对太阳系以及宇宙的认识,带动了多个学科领域的发展并极大地促进了科技的创新,改善了人类的生活,推动了人类文明的进步.

小行星,是指那些围绕太阳运行,且质量比行星质量小得多的天体,其运行轨道距离地球要比月球远得多,但在天文望远镜中也只是针尖大小的光点.在人类真正进入航天时代以前,人们只能通过地面观测获取小行星的数据.由于小行星个头太小,起初并未受到重视(李俊峰等2016).1991年,美国发射的木星探测器“伽利略号”飞越主带小行星951Gaspra①并拍照,两年后飞越243Ida小行星,首次确认太阳系内双小行星系统的存在(Chapman et al.1995).图1展示了人类已经飞越或近距离探测过的部分小天体,按照它们实际尺寸的比例关系绘制.图中最大的小行星253Mathilde长轴仅有66km,而日本“隼鸟号”(Hayabusa)的探测目标25143Itokawa只是一个不起眼的小点.实际上,近地小行星Itokawa有着丰富的地表特性,并展示了碎石堆结构的诸多特性(Harris1996),为行星起源等研究提供了重要线索.

在世界第二轮深空探测热潮中(李俊峰和宝音贺西2007),小行星逐渐成为科学探测的重点目标.随着探测任务的开展和研究的深入,人们已经意识到太空中这些奇形怪状的“石块”蕴含着丰富的太阳系早期物质,对它们的研究,有助于揭示太阳系起源、行星演化以及生命起源等谜题.部分近地小行星对地球的潜在撞击威胁和近来媒体的报道,使得小行星防御开始进入普通大众的视野.2013年2月,一颗直径约15m 左右的小行星坠毁在俄罗斯乌拉尔地区上空,导致多人受伤和建筑物受损.为保护人类安全和地球免于撞击,有必要对小行星开展近距离探测,提前获取目标参数并制定防御策略等.

随着天文观测技术的进步,已发现的小行星数量不断增加.1801年意大利天文学家Piazzi发现了太阳系内第一颗小行星1Ceres(已被重新归类为矮行星).截至目前,人类观测到的太阳系内小天体已超过110万颗,但它们的质量总和还没有月球大,可见这些散落的太空石块单颗质量之小.面对如此庞大的数量,研究人员不得不进行分类研究.例如,依据它们的轨道分布大致分为近地小行星、主带小行星、特洛伊小行

①首次提到小行星时以“数字+名称”表示，如951Gaspra,再次出现时略去数字

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图1

人类航天器探测过的小天体等比缩放排列图

星、半人马小行星、以及柯伊伯带小天体等.天文学家则倾向于按照光谱特性分类,根据所观测小行星的反照率和亮度来粗略估计它们的大小(Fornasier et al.2011).

20世纪90年代以来,世界各航天大国和空间机构纷纷提出各自的深空探测计划,包括美国国家航空航天局(NASA)的“新太空计划”、欧洲航天局(ESA)的“曙光女神计划”以及日本的“月球和小行星探测计划”等.2004年,中国探月工程正式立项,拉开了我们深空探测的序幕(郑永春和欧阳自远2014).在上述深空探测计划的支持下,以小天体为直接目标的任务已有6项,包括美国的“尼尔–舒梅克号”(NEAR-Shoemaker)、“黎明号”(Dawn)以及2016年9月刚发射的OSIRIS-Rex探测器、日本的“隼鸟号”和“隼鸟二号”(Hayabusa-2)、ESA的“罗塞塔号”(Rosetta)等.2012年底,中国“嫦娥二号”探测器在拓展任务中近距离飞越“战神”小行星4179Toutatis,实现了我国小行星探测零的突破,增进了人们对Toutatis的认识,为我国未来深空探测积累了宝贵经验.

2小行星探测的挑战

纵观过去30年小行星探测的历史,可以清晰地看到,小行星探测已从最初的简单飞越向近距离绕飞、着陆以及采样返回等复杂任务发展.以一次完整的采样返回任务为例,轨道设计大致分为7个阶段:地心逃逸段、日心转移段、目标小行星俘获段、近距离绕飞探测段、小行星逃逸段、日心返回段、地球再入段.每一阶段对于任务的成