地月L2点Halo轨道支持的登月轨道优化设计

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1、第23卷第5期载人航天Vol.23No.52017年10月MannedSpaceflightOct.2017地月L2点Halo轨道支持的登月轨道优化设计∗曹鹏飞，孙俞，贺波勇，李海阳（国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073）摘要：针对低成本月球探测任务轨道设计问题，基于不变流形提出了地月L2点Halo轨道支持的登月方案，并研究了轨道优化设计方法。建立了3脉冲从近地停泊轨道（LEO）到环月轨道（LLO）的不变流形转移轨道数学模型；设计了全局遍历初值搜索和局部梯度优化的串行优化设计方法，并采用圆型限制性三体模型（CR3BP）优化了一条从LE

2、O出发，通过稳定流形轨道、地月L2点Halo轨道、不稳定流形轨道，最终抵达LLO的燃料最优转移轨道；给出了仿真实例，仿真结果验证了文章所述方法的正确性。研究结论可为未来低成本地月转移或Halo轨道空间站支持的登月方案提供参考。关键词：地月转移轨道；地月L2点；Halo轨道；不变流形；优化设计中图分类号：V412.4文献标识码：A文章编号：1674-5825（2017）05-0602-06Trans-lunarTrajectoryOptimizationBasedonEarth-MoonL2HaloOrbits∗CAOPengfei，SUNYu，HEB

3、oyong，LIHaiyang（CollegeofAerospaceScienceandEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China）Abstract：ThederivedinvariantmanifoldofHaloorbitsnearthecollinearliberationpointsisknownforthelowenergyconsumptionindeepspaceexplorationmissions.Inthispaper，alunarl

4、andingschemebasedonHaloorbitnearL2pointofEarth-Moonsystemwasproposedandthedesignoptimi-zationwasdiscussed.Firstly，amathematicalmodeloftrans-lunartrajectorybasedoninvariantman-ifoldfromlowearthorbit（LEO）tolowlunarorbit（LLO）with3impulseswasestablished.Then，aserialoptimizationmeth

5、odincludingtheglobaltraversalinitialvaluesearchandthelocalgradientoptimizationwasdesigned.Atrans-lunartrajectorywiththeadvantageofoptimalfuelconsumptiondeparturefromLEOthroughthestablemanifold，HaloorbitnearL2ofEarth-Moon，unstablemani-fold，andfinalarrivaltoLLOwasobtainedbyoptimi

6、zationwiththeapplicationofCR3BP.Thereli-abilityofthemethodwasverifiedbythesimulationdata.Theconclusionscanserveasareferenceforthedesignofthelow-costtrans-lunartrajectoryandthelunarlandingbasedonthespacestationparkinginHaloorbitnearL2ofEarth-Mooninthefuture.Keywords：trans-lunart

7、rajectory；Earth-MoonL2point；Haloorbit；invariantmanifold；trajectoryoptimization衍生的不变流形轨道因其低能耗特性在月球及深［1］空探测任务中备受青睐。早在1972年，Farqu-1引言har就提出了地月L2点Halo轨道上航天器对月［2］［3-4］［5］圆型限制性三体问题模型（CircleRestricted3球探测的重要支持作用。Lo、龚胜平等BodyProblem，CR3BP）中平动点Halo轨道及其研究发现了由Halo轨道衍生的稳定流形和不稳收稿日期：2016-08-0

8、5；修回日期：2017-07-25基金项目：国家自然科学基金（11372345）第一作者：曹鹏飞，男，硕士研