载人火星飞行轨道方案的设计和计算

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1、Vo1．18No．4载人航天第18卷第4期56MannedSpaceflight2012年7月载人火星飞行轨道方案的设计和计算周旭东(上海航天技术研究院空间电源研究所，上海200245)摘要通过对未来载人火星探测飞行任务的分析，结合未来可能的栽人火星飞行方案，对载人火星飞行任务的轨道方案进行了研究，重点对地球到火星飞行和火星到地球飞行的霍曼轨道飞行方案进行了设计，对轨道设计的两个重要参数——飞行所需的速度增量和飞行时间进行了详细计算；同时对飞行的进入、降落火星，及离开火星、返回再入、降落地球等各飞行阶段所需的速度增量进行了计算；根据可能的载人火星探测飞行时

2、间，给出了2042年到2054年的计算结果。此外，还对大椭圆、抛物线和金星借力等轨道设计方案进行了分析，并与霍曼轨道设计方案进行了对比，并得出建议载人火星飞行采用霍曼轨道的结论。关键词载人火星飞行；轨道设计；霍曼轨道；速度增量；飞行时间中图分类号：V412．4+1文献标识码：A文章编号：1674-5825(2o12)04--0056--071引言2载人火星轨道飞行任务分析人类对火星的探索已进行了几十年——都是无2．1载人火星飞行轨道方案人火星探测，取得了一定的成就，今后一段时间仍将载人火星探测地一火飞行轨道可选择最省能量进行；作为火星探测的第二步——载人火

3、星探测，是的霍曼转移轨道方案，也可选择大椭圆、抛物线、金人类在未来二三十年或更长时间要进行深人研究和星借力等其他飞行轨道的方案【l_。实践的科学活动。美国、俄罗斯、欧洲在载人火星探按星际飞行轨道任务分析圜，运用相关的计算方测方案方面，都进行过研究，都提出过载人火星探测法，可以计算地球飞向火星及火星返回地球所需的的规划和方案，以及各种载人火星探测飞行方案。速度增量和飞行时间。对于确定的火星飞行轨道设本文通过对国外有关情况的研究，结合我国未来计，最重要的参数就是速度增量(能量)和任务时载人火星可能的探测规划和方案，进行了载人火星探间。测飞行全过程从近地轨道发射

4、、地一火飞行、进人火2．2载人火星飞行任务分析星、降落火星、离开火星、：欠—地飞行、返回和着陆地球在现有人类航天技术水平基础上，考虑未来几的飞行方案初步研究。重点进行了载人火星飞行轨道十年进行载人火星探测的可行性，采用化学推进为方案的选择和设计，对轨道设计的两个重要参数一宜，本文提出的载人火星任务的方案为：速度增量和飞行时间进行了详细分析、计算，提出了采(1)近地轨道对接组装飞船：数次火箭发射，在用霍曼轨道作为载人火星探测飞行的轨道方案；也分近地轨道组装载人火星飞船；析计算了大椭圆、抛物线、金星借力等其他飞行轨道的(2)载人火星飞船地一火轨道飞行，并进人环

5、方案；对研究结果进行了综合和初步分析。火星轨道飞行；收稿日期：2011-10—27；修回日期：2012—04—18作者简介：周旭东(1964一)，男，博士，研究员，主要从事载人航天和深空探测总体技术研究。E—mail：dh。@i．c0m第4期周旭东：载人火星飞行轨道方案的设计和计算57(3)航天员乘登陆飞船降落火星表面；面h千米的环绕速度。(4)航天员在火星表面探测探测后，乘飞船离开飞船按霍曼转移轨道进入地球到火星的日心火星，进入环火轨道，与环火轨道上的返回飞船对接；轨道段飞行的终点为B点，从曰点进入环火星轨道(5)返回飞船进行火—地轨道飞行，进入地球运行

6、所需速度增量为：轨道飞行；△M=，一(6)飞船再人大气，降落地球表面。本文轨道任务分析和设计包括近地轨道发射、=(一：)一地一火飞行、进入火星、降落火星、火星表面上升、式中，为飞船到达距火星表面千米的速度，火一地飞行，进入地球轨道飞行、返回和着陆地球各为距火星表面千米的环绕速度。阶段。；、：分别为飞船的日心转移轨道段脱离地球3载人火星飞行轨道设计和计算引力作用球和进入到火星引力作用球的速度，公式以下按霍曼轨道进行载人火星飞行的轨道设计如下：和计算[31。(一)(3)3．1从近地轨道飞向火星和进入环火星飞行及降落火星轨道设计(4)3．1．1从近地轨道飞向火星

7、及进入环火星飞行轨道I-is(一)设计式中：分别为太阳、地球、火星的引力常数；飞船从地球轨道点出发，沿霍曼转移轨道飞R、R分别为地球、火星的运行轨道半径；r￡、分别向火星，进入绕火星飞行点轨道，如图1所示。为地球、火星的平均赤道半径，h、hM分别为飞船围绕地球、火星飞行的轨道高度。火星冲日时，火星离地球最近，此时RM=+一，为地球与火星之间距离，火星冲日约二年多一次。这样沿霍曼转移轨道飞到火星、进入火星轨道所需总能量为：AV=AVE+△vM=(一一+＼／(一一㈦采用霍曼转移轨道设计的飞向火星所需时间为霍曼转移椭圆轨道周期的一半：图1飞船沿霍曼转移轨遁飞行图

8、(6)飞船从A点出发时飞向火星所需速度增量为：3．1．2飞船再入火