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深空探测任务中直接转移轨道一般需要较大的能量,借力飞行技术可以降低从地球的发射能量,经过多次天体借力到达目标星体,并可以一次探测多个天体。本文围绕纯借力飞行技术,对附加轨道机动和利用大气阻力—星体引力辅助变轨的多天体借力轨道设计进行了综合研究,开发了轨道自动设计的相关软件,并应用于太阳高纬探测器轨道设计。 本文首先研究了纯借力的多天体交会轨道设计。通过多天体的P-Rp图推测可能存在的多天体交会借力飞行方案,求解兰伯特问题,根据圆锥曲线拼接法搜索能量等高线图中匹配的C3,最后找出发射窗口。在行星借力过程中,应用B平面法进行轨道设计和优化。 然后分析了轨道机动的主要类型,并就拱点位置处外部和内部机动的借力飞行轨道进行了重点研究。各种轨道类型的仿真表明,和地球直接转移轨道相比,到达相同的远日点或近日点半径,拱点位置附加轨道机动的多天体交会借力飞行轨道可以更节省能量,并且增加了探测器对更多行星进行借力和到达目标行星的可能性。 其次对大气阻力—星体引力辅助变轨的理想情况进行了研究,推导变轨原理,分析了升阻比、中心转角、轨道类型和总能量等指标的特性。该变轨方式可以增大探测器借力时相对于借力星体转过的角度,同时也增加了进行下一步借力的可能性。 再次,设计并研制了轨道总体方案与发射窗口自动搜索软件。轨道总体方案软件自动判断P-Rp图相交,选择输出方案序号可直观查看借力顺序;根据JPL星历数据库,使用FORTRAN语言计算得到各天体DE405星历数据,由儒略日方法传递日期,利用C3匹配原理,设计发射窗口搜索软件,并可以保存所有计算结果。 最后,对太阳高纬探测器所需要的关键指标进行论证,运用上述软件搜索和满足该指标的EJ和EMJ借力方案和发射窗口,并结合外部机动3∶1+型轨道设计附加轨道机动的EEJ方案,该方案轨道倾角85°。仿真结果验证了设计方法的可行性及软件的正确、可靠性,并为进行太阳高纬探测器轨道设计提供参考。