基于双体模型下载人登月返回转移轨道特眭分析

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1、V01．18No．6载人航天第18卷第6期20MannedSpaceflight2012年11月基于双体模型下载人登月返回转移轨道特眭分析龚胜平，李俊峰，李京阳(清华大学航天航空学院，北京10086)摘要载人登月的月地返回转移轨道特性分析对轨道设计非常重要。利用解析方法分析了月地返回转移轨道的特征，给出了返回转移轨道的参数随月球发射窗口变化情况。在给定返回着陆场的情况下，为了获得合适的再入航程和返回倾角，分析了1个月之内适合从月球出发的日期。同时利用优化方法得到了双二体模型下的月地返回转移轨道，并将解析分析方法的结

2、果与优化结果进行了比较，两种结果比较接近，表明运用解析分析方法可以有效、快速地进行定性分析。关键词载人登月；返回转移轨道；解析方法中图分类号：V412．4"V525文献标识码：A文章编号：1674-5825(2012)06--0020-07合轨道。对于月地转移轨道的研究相对较少，月地转1引言移考虑从绕月轨道加速后进人月地转移阶段，与地深空飞行的研究已有几十年的历史，目前只有月转移是一个相反的过程。文献[6]对月地转移轨道美国的“阿波罗”飞船成功实现过载人登月。载人登的发射窗口进行了分析。文献[7]讨论了一种利用双月

3、的过程包括地月转移、近月制动进入绕月轨道、绕二体拼接的方法设计地月转移轨道，文献[8]使用月月轨道下降到月面、月面上升绕月轨道、近月加速进球和地球质量的比值作为小参数对月地转移问题的入月地转移和再人大气着陆到目标着陆场。载人登两点边值问题进行求解。文献[9—12]研究了如何实月的轨道设计相比普通的月球探测轨道设计复杂很现低能量的月地转移轨道。本文将利用几何分析的多，在设计阶段需要考虑每个任务阶段的窗口吻合，方法对月地转移窗口进行分析，研究飞船如何满足总任务时间不能太长，同时尽量减少整个过程中的再入角和再人航程要求的

4、情况下返回目标着陆场。燃料消耗。考虑到故障情况下飞船能返回地球，地月最后，利用双二体模型对上述几何分析的结果进行转移轨道通常采用自由返回转移轨道或混合轨道Ⅲ。验证。同时，地月转移时需要考虑合适的发射窗口使得飞在本文中，为获取月地返回过程全轨道的解析船能在适合的时间到达着月点上空。执行月面活动解，近似将月地转移轨道延伸至着陆场，替代再入大后，飞船需要返回目标着陆场。月球转移轨道的发射气段的弹道。这样，我们将此从月球环月轨道加速后窗口受月地转移窗口和绕月轨道参数的限制。因此，的月地转移轨道，直至返回地球着陆场的返回全过

5、整个轨道设计需要一起规划，要设计一个能满足所程的轨道统称为“返回转移轨道”。有任务约束的完整轨道，需要充分了解自由返回转2返回转移轨道设计移轨道和月地返回转移轨道的特性。目前，对地月转移轨道的研究较多，包括自由返回转移轨道和混本节将讨论返回转移轨道的设计方法，包括解收稿日期：2011-07—13；修回日期：2012—11-11作者简介：~(1981-)，男，博士，讲师，主要从事航天器动力学与控制研究工作。E-mail：gongsp@tsinghua．edu．Oil第6期龚胜平等：基于双体模型下载人登月返回转移轨道特

6、性分析21析分析方法和数值优化算法。解析方法从轨道的几地心一升交点方向的单位矢量可以表示为何特性出发得到返回转移轨道参数随月球出发时刻n=[cosQsinl~0](7)变化情况，解析方法提供一种快速分析工具。数值方可以得到近地点幅角为法采用从再人点到影响球的逆向设计和从月球轨道f-1，、fCOS(。n)，≥0，、到影响球的正向设计相结合的思路，将轨道设计问={l一，(8J题转化为参数优化问题，通过优化得到符合各种工—eos(‘Pn)，<0月球出发时刻和月球到再人点转移时间已知的程约束的返回转移轨道。解析方法的结果可

7、以为数情况下，轨道倾角、升交点赤经和近地点幅角由着陆值优化方法提供初值。2．1返回转移轨道解析分析场的位置唯一确定，上述方法无法保证再人点到着利用解析方法定性分析从月球到目标着陆场的陆场之间的航程满足要求。为了描述方便，利用再人点到着陆场的弧段长度来描述航程。当再人角位于返回转移轨道特l生。从月球出发时刻月球的赤经赤再入走廊时，从再人点至返回转移轨道近地点的弧纬分别为A，，月球一地球连线方向可以表示为段几乎不变，约为11。。因此，可以利用近地点至着陆e=(-COS~cossinAcosO~一sin](1)场的弧段描

8、述航程。假定返回转移轨道的近地点方设目标着陆场的经纬度为(A，，)，s为再人时向为月球出发时刻的月地连线方向，近地点至着陆刻对应的格林尼治平恒星时，在惯性坐标系下地心一场的航程可以解析给出。分两种情况计算，第一种情着陆场的方向可以表示为况是近地点和着陆场处于不同半球，如图1(a)所示，￡=[cos(A，+．s)c0ssin(Af+S)cos~fsines](