搭载平动点中继星的载人自由返回探月轨道设计与优化

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1、第２３卷第３期载人航天Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．３２０１７年６月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＪｕｎ．２０１７搭载平动点中继星的载人自由返回探月轨道设计与优化１１２２１２路毅，李恒年，韩雷，王军，曹璐，张建辉（１．西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室，西安７１００４３；２．６３７７８部队，佳木斯１５４０００）摘要：针对意义重大但目前尚无成功先例的月球背面载人登月任务，通过建立地惯系三体动力学模型，采用微分修正法迭代计算，设计了未来载人登月任务的候选自由返回轨道；通过建立旋转系三体动力学模型，利用“类Ｈａ

2、ｌｏ轨道截面”法，得到了从自由返回轨道以最低能耗转移到Ｌ２点ｈａｌｏ轨道的拼接轨道。仿真计算结果显示所优化设计的搭载中继星的载人自由返回探月轨道既能满足任务安全要求，又能以最小能耗布设中继星座并提供中继任务支持。设计方法和结果可对未来月球背面载人着陆探测任务安全轨道设计和月球中继星座的设计方面提供参考。关键词：月球背面；载人登月；轨道优化；平动点轨道中图分类号：Ｖ４１２�４文献标识码：Ａ文章编号：１６７４⁃５８２５（２０１７）０３⁃０３２０⁃０７ＯｒｂｉｔＤｅｓｉｇｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉoｎｆoｒ

3、ＭａｎｎｅｄＬｕｎａｒＦｒｅｅ⁃ｒｅｔｕｒｎＴｒａｊｅｃｔoｒｙｗｉｔｈＰｒoｂｅＣａｒｒｙｉｎｇＬｕｎａｒＲｅlａｙＳａｔｅllｉｔｅｎｅａｒＬｉｂｒａｔｉoｎＰoｉｎｔ１１２２１２ＬＵＹｉ，ＬＩＨｅｎｇｎｉａｎ，ＨＡＮＬｅｉ，ＷＡＮＧＪｕｎ，ＣＡＯＬｕ，ＺＨＡＮＧＪｉａｎｈｕｉ（１．Ｘｉ’ＡｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＣｏｎｔｒｏｌＣｅｎｔｅｒ，ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃＤｙｎａｍｉｃｓ，Ｘｉ’Ａｎ７１００４３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｕｎｉｔ６３７７８ｏｆＰＬＡ，Ｊｉａｍｕｓｉ

4、１５４０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆａｒ⁃ｓｉｄｅｏｆｔｈｅＭｏｏｎｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｍｅａｎｉｎｇｂｕｔｎｏｓｕｃ⁃ｃｅｓｓｆｕｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｔｉｌｌｎｏｗ．Ｂｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅ３⁃ｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎＥａｒｔｈｃｅｎｔｅｒｅｄｉｎｅｒｔｉａｌｃｏ⁃ｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｕｓｉｎｇｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｃａｎｄｉｄａｔｅｆｒｅ

5、ｅ⁃ｒｅｔｕｒｎｏｒｂｉｔｆｏｒｆｕ⁃ｔｕｒｅｍａｎｎｅｄｌｕｎａｒｍｉｓｓｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｒｏｕｇｈｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅＣＲ３ＢＰｍｏｄｅｌｉｎｒｏｔａｔｉｎｇｃｏｏｒｄｉ⁃ｎａｔｅ，ａｎｄｅｍｐｌｏｙｉｎｇｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄ“Ｈａｌｏ⁃ｌｉｋｅＳｅｃｔｉｏｎ”ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｌｏｗ⁃ｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｅｒｏｒｂｉｔｆｒｏｍｆｒｅｅ⁃ｒｅｔｕｒｎｏｒｂｉｔｔｏＬ２Ｈａｌｏｏｒｂｉｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄ

6、ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｒｅ⁃ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｈｙｂｒｉｄｏｒｂｉｔｃｏｕｌｄｎｏｔｏｎｌｙｍｅｅｔｔｈｅｓａｆｅｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｂｕｔａｌｓｏｃｏｕｌｄｌａｙｔｈｅｒｅｌａｙｓａｔｅｌｌｉｔｅｐｒｏｖｉｄｉｎｇｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｒｅｌａｙｓｅｒｖｉｃｅｆｏｒｔｈｅｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｃｏｕｌｄｓｅｒｖｅａｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅｓａｆｅｏｒｂｉｔａｎｄｒｅｌａｙｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｄ

7、ｅｓｉｇｎｉｎｇｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅｍａｎｎｅｄｌｕｎａｒｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｍｉｓｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗoｒｄｓ：ｆａｒｓｉｄｅｏｆｔｈｅＭｏｏｎ；ｍａｎｎｅｄｌｕｎａｒｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｏｒｂｉｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｌｉｂｒａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄｏｒｂｉｔ下，不能完成测控和通信信号与地面之间的不间１引言［３］断连通。而要想顺利完成月球背面的载人着月球背面的载人着陆探测在美国Ａｐｏｌｌｏ任陆探测，必须保证航天器的安全飞行，以及处于月务中没有涉及过，未来具有重要战略和科学意球背面的航天员与

8、地面之间的不间断通信。［１⁃２］义，但同时该任务也面临着具大挑战。主要原为了保证飞行轨道的安全可靠，自由返回轨因是月球背面的探测在没有中继卫星实时支持道在Ａｐｏｌｌｏ任务中得到了广泛应用，它是指月球收稿日期：２０１６⁃０５⁃２９；修回日期：２０１７⁃０４⁃２５基金项目：中国青年自然科学基金（６１５０３４１４）；宇航动力学国家重点实验室开放基金（２０１６ＡＤＬ⁃ＤＷ０２０２）第一作者：路毅，男，博士，工程师，研究方向为航天器轨道设计、控制与导