小推力捕获轨道的最大双曲剩余速度分析
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国家自然科学基金资助项目(12302058, U21B2050),青年人才托举工程(2023QNRC001)


Maximum Hyperbolic Excess Velocity Analysis for Low-Thrust Capture
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    摘要:

    针对捕获轨道设计中小推力捕获问题,考虑推力幅值的限制,分析了实现捕获的最大双曲剩余速度,即航天器进入目标天体影响球时的最大速度,从而使得航天器在小推力作用下能够被捕获于具有给定半长轴的目标环绕轨道.首先建立了求解最大剩余速度的轨迹优化模型,并采用间接法将最优控制问题转化为两点边值问题进行求解,分析了协态变量特性并将两点边值问题建模为以目标环绕轨道偏心率和真近点角为变量的非线性方程.以火星捕获为例,揭示了最大剩余速度随推力加速度幅值、捕获时间和环绕轨道半长轴变化的规律,分析了捕获时间的上下限及其对应的最优控制,给出了航天器进入影响球并捕获至目标环绕轨道的多圈最优轨迹.最后,总结了最大双曲剩余速度分析在任务设计中的应用与未来的研究展望.

    Abstract:

    The low-thrust capture orbit design is considered by analyzing the maximum hyperbolic excess velocity that can realize the capture with constrained thrust magnitude and given semi-major axis of the target elliptical capture orbit. The optimal control problem is formulated and transformed into a two-point boundary value problem by the indirect method. The characteristics of costate variables are analyzed to obtain two-dimensional nonlinear equations, where the eccentricity and true anomaly of the target elliptical orbit are identified as the independent variables. As for the Mars capture, the maximum hyperbolic excess velocity increases when the maximum thrust acceleration, capture time, and semi-major axis become larger. The minimum and maximum capture times are revealed, and the corresponding optimal control laws and multi-revolution capture trajectories are presented. Finally, the application of the maximum hyperbolic excess velocity analysis is discussed, and possible future research is summarized.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

武迪,张楠,蒋方华,宝音贺西.小推力捕获轨道的最大双曲剩余速度分析[J].动力学与控制学报,2025,23(6):19~25; Wu Di, Zhang Nan, Jiang Fanghua, Baoyin Hexi. Maximum Hyperbolic Excess Velocity Analysis for Low-Thrust Capture[J]. Journal of Dynamics and Control,2025,23(6):19-25.

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  • 收稿日期:2024-05-13
  • 最后修改日期:2025-05-25
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  • 在线发布日期: 2025-07-04
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