载人登月地月转移轨道快速设计及特性分析

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1、Vo1．18No．3载人航天第18卷第3期l8MannedSpaceflight2012年5月载人登月地月转移轨道快速设计及特性分析彭祺擘，沈红新，李海阳(国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要分析了载人登月轨道设计的约束条件，在此基础上建立了地月转移轨道设计模型，给出了一种以地球出发轨道参数作为设计变量的轨道设计方法，结合月球星历得到了满足载人登月任务约束的轨道方案，并对载人登月任务地月转移轨道的工程特性进行了分析。此方法是一种无需轨道积分的纯代数计算方法，具有速度快、精度高的特点，其顺行求解的

2、思路，可对载人登月轨道方案制定阶段的轨道特性做出有效分析。关键词栽人登月；地月转移轨道；轨道设计；约束条件；轨道特性中图分类号：V412．4文献标识码：A文章编号：1674--5825(2012)03--0018-07出一种顺行求解的思路，即给定出发的相关条件(航1引言天器出发时的轨道参数)，然后利用解析法求解所能地月转移轨道设计是载人登月工程实施的一项到达的月心轨道参数，这样可以避开对人口点参数重要内容，在载人登月方案制定阶段，往往对具体轨的猜测，从而可以更有效的对奔月轨道的工程特性道的设计并不关心，而是侧重于

3、任务轨道的工程特做出分析。性分析，从而为方案制定提供参考。2问题描述及基本假设目前在地月转移轨道设计方面，国内外已做了大量研究。文献[1，2]给出了地月转移低能轨道设计登月飞船的奔月飞行可作如下描述：首先将飞方法，这类轨道往往并不适用于载人任务；而传统的船发射到地球停泊轨道，滑行一段时间后，发动机考虑各种摄动因素的高精度模型[31，往往需要轨道积在停泊轨道上选择合适的出发点点火，将飞船送入分，具有计算速度慢，结果单一的特点，主要用于具地月转移轨道，当飞船到达近月点时，发动机制动，体任务的精确轨道设计；文献[4，5

4、]引入了B平面进将飞船送人到环月轨道。奔月轨道设计实际上是求行地月转移轨道设计，提高了计算速度，但并没有效解满足轨道约束以及工程约束的地月转移关键控给出转移轨道的特性及参数敏感度分析。文献[6，7]制参数，主要包括地球出发时刻t和施加的速度增利用圆锥曲线拼接法进行轨道设计，不仅收敛速度量，环月制动速度增量，等。以月球影响球为快，而且可以有效的反应转移轨道特性，但其求解思边界，将边界以外的飞行称为地心段飞行，将边界以路一般是将人口点参数作为设计变量，由于入口点内的飞行称为月心段飞行。针对这两个飞行段，本文参数的意义

5、并不明确，因此对于约束条件较多的奔利用双二体模型进行轨道初步设计，从而对轨道特月轨道设计来说，要首先研究清楚满足约束条件的性做出分析。人口点分布情况，另外其所得到的轨道特性分析主首先给出双二体模型的基本假设f8_：要是针对人口点参数的，工程意义不太明确。(1)地心段轨道忽略月球引力影响，月心段轨道针对这些情况，本文仍利用圆锥曲线拼接法，给忽略地球引力影响，在影响球边界上，将两段圆锥曲收稿Et期：2011-05—30；修回日期：201l～06—20作者简介：彭祺擘(1982一)，男，博士研究生，研究方向为载人登月任

6、务分析与设计。E—mail：poochie@163．cO11第3期彭祺擘等：载人登月地月转移轨道快速设计及特性分析19线拼接为一个整体。(3)地球停泊轨道出发速度增量。。(2)认为航天器在飞向月球期间白道面不变。3_3约束分析(3)忽略太阳引力及其它摄动因素的影响。3_3．1工程约束根据上述假设可知，在未进入月球影响球以前，工程约束主要包括飞行时间约束和能量约束。登月航天器一直在地球停泊轨道面内飞行，当进入和无人月球探测不同，受到整个工程规模的限制，以月球影响球以后，由于月球引力的作用，才会使其飞及为了保证航天员

7、的安全，要求地月转移时间t不行轨道面发生变化。另外月球在白道面内运行，在运能太长，一般不多于三天左右。同时受推进剂限制，动过程中，其影响球在航天器所在的地球停泊轨道发动机所能提供的地月转移速度增量(包括近地出面内会形成一个穿越区。因此只有当航天器出发轨发速度增量和环月制动速度增量。)有限。因此轨道能够到达穿越区时才有可能成为入口点，当然这道设计时要求满足只是必要条件，要使其成为人口点，还需要满足一系列其他条件，下文中给出具体分析。{【Av1≤△1，Av2≤△2c23轨道设计数学模型其中，为允许的最长地月飞行时间，

8、AV和AV，分3．1相关坐标系别表示近地加速和环月制动时发动机能提供的最大(1)轨道坐标系0-XYZ1。速度增量。3．3．2轨道约束原点为地心D，X，Y，平面为航天器地球停泊轨道轨道约束条件是轨道设计中需要满足的最基本面，轴指向白道与地球停泊轨道面的交点，轴为航约束，地月转移轨道的设计主要受飞船近地停泊轨天器运动的动量矩方向，y轴与置构成右手系。道和环月轨道参数的限制。(