载人登月轨道设计方法及其约束条件概述

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1、Vo1．18No．1载人航天第l8卷第1期48MannedSpaceflight2012年1月载人登月轨道设计方法及其约束条件概述郑爱武，一，周建平z(1．北京航天飞行控制中心航天飞行动力学技术重点实验室，北京100094；2．中国载人航天工程办公室，北京100720；3．北京航空航天大学宇航学院，北京100083)摘要轨道设计问题是载人登月任务面临的一个最基本的问题，设计的优劣直接影响任务执行的效果、甚至成败。总结了国内外载人登月轨道设计的方法以及相关的研究成果，分析了载人登月自由返回轨道、混合轨道和任务中止轨道等三种类型轨道的特性，详细介绍了直接转移轨道设计的多种设计

2、方法、约束条件、优化原则和飞行模式。关键词载人登月；自由返回轨道；混合轨道；任务中止轨道；飞行模式中图分类号：V412．4+1文献标识码：A文章编号：1674—5825(2012)01—0048—07设计方面已取得了一些进展。刘兴隆基于圆锥曲线l引言拼接法，从几何与力学角度对自由返回轨道进行了月球独特的空间位置、极具潜力的科学探索前分析l1。白玉铸等人应用分段受摄的高精度动力学模景和丰富的可利用资源，决定了月球探测活动是当型，设计了搜索变量、约束条件与微分修正搜索算今世界航天领域中极具挑战性和显示度的领域之法，搜索得到了自由返回轨道和混合轨道[21。黄文德一。上个世纪5O

3、年代末以来，以美国和前苏联为首等人给出了基于双二体假设的轨道初步设计，对自的世界航天大国开展了大量月球探测活动，取得了由返回轨道的飞行时间、轨道倾角、近月距和轨道拼一系列成果，并带动了相关领域科技与应用的快速接点分布等参数进行特}生分析[3，并在双二体假设的发展。在1959年到1976年的第一次探月高潮中，基础上，考虑月球运动的非圆性，给出了混合轨道的美国成功实施了6次载人登月，前苏联成功实施了设计实例，对混合轨道的特性进行了分析l4l。黄文2次无人月面自动巡视探测和3次无人采样返回任德、陈海萍和郗晓宁等人还针对混合轨道的中止需务。20世纪90年代开始，美国、俄罗斯、印度

4、、日本求，在双二体的假设下，建立了直接中止、多脉冲中和欧空局等主要航天国家和组织纷纷提出了新的止和借助自由返回轨道中止等三种中止方式的轨道月球与深空探测计划。美国登月的侧重点是资源方计算模型。并分析了任务中止方式、中止轨道在能量面，最终目的是火星，所以把月球当成中间站；欧洲需求和返回飞行时间等方面的挣l生。的侧重点是技术，正在研究探月和登月的新方法和国外载人登月各个阶段积累的成功经验和失新技术；印度和日本的侧重点则是关于月球科学的败教训，可以为我国实施载人登月计划提供思路和研究。启发。本文总结了国内外载人登月轨道设计的方在月球探测任务中，轨道的设计问题是所面临法以及相关的

5、研究成果，重点概述了载人登月的的一个最基本的问题，其设计的优劣直接影响任务轨道类型、设计方法、约束条件、优化原则和飞行执行的效果、甚至成败。近年来国内在载人登月轨道模式。收稿日期：2011-09—09；修回日期：2011-10—19作者简介：郑爱武(1974一)，女，博士研究生，研究方向为航天测控和月地轨道设计。E-mail：awzheng@163．eom第1期郑爱武等：载人登月轨道设计方法及其约束条件概述49度大约为6O海里的转移轨道，理论上该轨道不再是2载人登月的轨道类型自由返回的。在Apollo计划中根据预期的误差传播，根据Apollo载人登月的成功经验，为保证航天

6、该轨道可以通过机动修正为自由返回模式，但修正员的安全，用于载人登月的轨道主要有两种类型：自的时机有限，一旦进入月球影响球，仅通过服务舱反由返回轨道和}昆合(Hybrid)轨道。自由返回轨道已应控制系统(SMRCS，推力很小，通常只用来进行中被美国应用在Apollo8，1O，1l任务中，从Apollo12途修正[9】)完成不了轨道修正任务，此时可利用登月开始的后续任务，包括Apollo13在内，采用的是混舱下降推力系统(LMDPS)替代SMRCS进行修正。合轨道。因此，混合轨道设计还需要综合考虑任务中止轨道2．1自由返回轨道设计的要求。自由返回轨道是载人登月任务首选的一类转

7、移由于混合轨道月球轨道人轨(LOI)所需的燃料轨道，也是载人登月轨道设计的基础。如图1所示，比自由返回轨道少，因此可达月球的范围更宽。通载人飞船只在地月转移轨道入轨点(TLI)进行一次常，混合轨道可达到的倾角从大约0o_15。(低能量)变轨，其后不加机动或略加修正，飞抵近月点后在引或者00-30。(高能量)。Apollo计划中，实施登月的力作用下绕过月球并自动：返回地球附近。Apollo首Apollo11-Apollo17(除去未成功登月的Apollo13)选的自由返回轨道是一条近月点高度大约为60海对月表的探测范围都在南北纬