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1、第21卷 第4期宇 航 学 报Vol121No142000年10月JOURNALOFASTRONAUTICSOct12000月球近旁转向技术研究曾国强 郗晓宁 任 萱(国防科技大学航天与材料工程学院·长沙·410073) 摘 要 通过月球近旁转向,可以改变航天器的对地速度大小和方向。借助圆锥曲线拼接法可以对月球近旁转向问题进行初步分析。研究表明:利用月球近旁转向技术发射地球静止卫星和逆向卫星可以节省速度增量,发射场的纬度越高,节省的速度增量越多。主题词 月球引力 近旁转向 发射 静止卫星 逆向卫星ASTUDYONLUNARSW
2、ING2BYTECHNIQUEZengGuoqiangXiXiaoningRenXuan(NationalUniversityofDefenseTechnology·Changsha·410073)AbstractMagnitudeanddirectionofgeocentricvelocityofspacecraftcanbechangedafteralu2narswing2by.Patched2conictechniquecanbeusedforpreliminaryanalysisoflunarswing2by.Itisi
3、ndicatedthatusinglunarswing2bytechniquecanreducevelocityincrementneededforlaunchinggeo2stationarysatelliteandreversedsatellite.Thehigherthelaunchingsiteis,themorevelocityincre2mentissaved.KeywordsLunargravitationSwing2byLaunchGeostationarysatelliteReversedsatellite1
4、引言从一个星球发射的航天器飞近另外一个星球,利用此星球的引力改变轨道,向另外的目标星球飞去,这种利用引力的方式称为近旁转向。通过近旁转向不但可以改变航天器轨道的方向,还可以使航天器加速或减速。对于需要很大能量的行星际探测,可以在中途通过近旁转向利用某星球的引力获得速度增量。近旁转向技术在行星际航行中得到广泛应用。1973年发射的“Mariner10”在飞向水星途中经过金星的加速,这是近旁转向的第一次应用。1977年发射的“Voyager2”本来只有到达木星的能量,但是通过木星近旁转向的加速作用,先后飞经土星和天王星,最后于198
5、6年到达海王星。最近还有一次很有特色的近旁转向的例子:1998年6月,休斯公司两次借助月球的近旁转向作用成功地将发射失败的原Asiasat23通信卫星移动到倾角仅几度的地球同步轨道,使之成为可以用于海[1]事通信、新闻采集等业务的卫星,创造了航天史上的一大奇迹。除了行星际探测需要较大的能量外,从纬度较高的地区发射地球静止卫星或地球逆向收稿日期:1999年9月2日,修回日期:2000年3月17日3863资助项目108宇航学报第21卷 卫星(倾角为180°),需要进行轨道面的改变,也需要较大的能量。如果能够巧妙地利用月球的近旁转向作
6、用提供卫星变轨的部分能量,就可以使卫星的总能量需求降低。并且,在卫星上可以搭载一个或多个小型的月球探测器,这些探测器在卫星飞近月球时释放,然后减速成为月球卫星,进而对全月面进行科学探测。采用这种方式,可以达到“一次发射,多种探测”的目的,从而降低月球探测的成本。2 近旁转向的初步分析考虑到地、月、探测器的关系复杂,在初步分析中借助于圆锥曲线拼接法进行研究。[225]该方法对问题进行了简化以突出其本质。其基本假设为:忽略所有摄动因素的影响,当卫星在月球影响球外时,认为其轨迹为地心圆锥曲线;当航天器在月球影响球内时,认为其轨迹为月心
7、圆锥曲线;在月球影响球边界,将两条圆锥曲线接接成完整的运动轨迹。采用圆锥曲线拼接法可将二点边值问题化简为二次代数方程的求解问题,通过简单代数计算,可十分容易地求出近旁转向转移轨道的参数。当给定探测器的停泊轨道参数、进入影响球边界点A(入口点)位置、月心轨道倾角和近月距,可以通过简单迭代求出地心轨道转移初速、加速点地心矢径和入口点速度等参数(具体推导请参见本人另文《快速[6]设计月球卫星转移轨道的一种代数法》。由入口点A的月心参数可以得到出口点B的月心参数,将B点的月心参数迭加卫星飞出影响球时月球的位置和速度就得到图1 近旁转向初
8、步分析B点的地心参数。由B点的地心参数可以很容易求出卫[7]星返回地球时的倾角和近地距。以1997年6月从200km高的停泊轨道发射卫星为例进行仿真,计算结果见表1。表中总速度增量包括:从停泊轨道加速到转移初速的速度增量、近地点施加的负向速度增量及修正近地点高度
