地球-火星循环轨道研究

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1、2010年第l期导弹与航天运载技术No．12010总第305期MISS儿ESANDSPACEVEmCLESSumNo．305文章编号：1004—7182(2010)01．0032-07地球一火星循环轨道研究李桢，周建平，李海阳(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙，410073)摘要：循环轨道是适用于未来长期持续的火星探测任务的一类轨道方案，此方案将作为运输系统的飞行器布置在长期循环往返于地球和火星之间的轨道上。从循环轨道的概念和常见分类入手，介绍了具有代表性的循环轨道方案及特点，以及常用的轨道计算模型。最后针对循环轨

2、道必须涉及到的双曲轨道交会问题作了简要论述。关键词：循环轨道；火星；双曲交会中图分类号：V412．4+1文献标识码：AResearchonEarth-MarsCyclerTrajectoriesLiZhen，ZhouJianping，LiHaiyang(CollegeofAerospaceandMaterialEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha，410073)Abstract：Earth-Marscyclertrajectoryisapr

3、omisingscenarioforsustainingMarsexplorationinthefuture。Inthisapproach，ancyclingvehicleactsasapermanentlyemplacedtransportationelementthatcontinuouslycyclesbetweentheEarthandMars．TheconceptofEarth-Marscyclertrajectoryisintroducedandthetypesofcyclerareillustrateda

4、ndtherepresentativeconceptsandcharacteristicsofcyclertrajectoryinrecentdecadesaredescribed．Thecommontrajectorymodelforcyclerisinvestigated．Finally，Hyperbolicrendezvous，whichisessentialforcyclertrajectory，isdiscussedbriefly。KeyWords：Cyclertrajectory；Mars；Hyperbol

5、icrendezvousO引言随着载人航天技术的飞速发展，人类探索宇宙的步伐正逐步从近地迈向深空。火星是太阳系中与地球性质最为相似的行星。进行火星探测可以加深对宇宙的了解，拓展人类在宇宙中的存在，开发利用火星资源。载人火星飞行是载人航天极富挑战性的远期目标。相对于无人探测器而言，飞行途中承受的失重环境、太空辐射和携带的大量生活物资是载人太空飞行面临的几大难题，因此转移飞行时间是任务设计中十分关心的一项重要参数，而飞行时间和飞船需要的速度增量常常是矛盾的。循环轨道方案实现了较短的行星间转移时间和较低的速度冲量，适用于长期

6、、持续的火星探测任务，是一类有研究价值和发展潜力的轨道方案，自20世纪60年代至今一直得到了广泛的研究Il刈。本文将对近年来提出的有代表性的各类循环轨道进行介绍，并概括了常用的计算模型和设计思路。1概念和分类所谓循环轨道，是相对直接轨道和两端停泊轨道而言的。直接轨道是指从地球表面直接到达火星表面或火星轨道的转移轨道；两端停泊轨道是指从地球轨道到火星轨道的转移轨道；循环轨道是指周期性往返于地球和火星之间，在行星附近绕飞而不停留的轨道。运行于循环轨道上的飞行器可长时间(几年甚至十几年)保持行星间飞行而不需要轨道机动(或者只

7、需要很小的轨道机动)，因而被认为是一种经济的长期任务方式。完全不需要飞船自身实施机动的循环轨道称为弹道式循环轨道，需要飞船自身提供能量实施机动的循环轨道称为动力式循环轨道瞄，6J。循环轨道方案一般需要两类飞行器：a)运行于星际航行轨道上的转移飞行器(有的文献上称为循环飞行器或“太空旅馆，，【‘刀)；b)用于实现地球或火星表面与转移飞行器进行人员和物资交换的滑行飞行器。一般来讲，转移飞行器质量规模较大而滑行飞行器相对小得多。当转移飞行器到达地球或火星附近时，小型滑行飞行器从行星表面起飞，在双曲轨道上与转移飞行器交会对接，

8、完成物质交换后，滑行飞行器返回行星表面。循环轨道比传统的轨道形式平均能量需求低，但交会过程难度大，是一种高风险低成本的轨道方案‘引。收稿日期：2008-07—22；修回日期：2009-03．23作者简介：李桢(1980-)。女，博士研究生，研究方向为载人深空探浏总体设计第1期李桢等地球一火星循环轨道研究33广义上讲，循环轨道可分为