基于雙體模型下載人登月返回轉(zhuǎn)移軌道特眭分析

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1、V01．18No．6載人航天第18卷第6期20MannedSpaceflight2012年11月基于雙體模型下載人登月返回轉(zhuǎn)移軌道特眭分析龔勝平，李俊峰，李京陽(清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京10086)摘要載人登月的月地返回轉(zhuǎn)移軌道特性分析對軌道設(shè)計非常重要。利用解析方法分析了月地返回轉(zhuǎn)移軌道的特征，給出了返回轉(zhuǎn)移軌道的參數(shù)隨月球發(fā)射窗口變化情況。在給定返回著陸場的情況下，為了獲得合適的再入航程和返回傾角，分析了1個月之內(nèi)適合從月球出發(fā)的日期。同時利用優(yōu)化方法得到了雙二體模型下的月地返回轉(zhuǎn)移軌道，并將解析分析方法的結(jié)

2、果與優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較，兩種結(jié)果比較接近，表明運用解析分析方法可以有效、快速地進(jìn)行定性分析。關(guān)鍵詞載人登月；返回轉(zhuǎn)移軌道；解析方法中圖分類號：V412．4"V525文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-5825(2012)06--0020-07合軌道。對于月地轉(zhuǎn)移軌道的研究相對較少，月地轉(zhuǎn)1引言移考慮從繞月軌道加速后進(jìn)人月地轉(zhuǎn)移階段，與地深空飛行的研究已有幾十年的歷史，目前只有月轉(zhuǎn)移是一個相反的過程。文獻(xiàn)[6]對月地轉(zhuǎn)移軌道美國的“阿波羅”飛船成功實現(xiàn)過載人登月。載人登的發(fā)射窗口進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]討論了一種利用雙月

3、的過程包括地月轉(zhuǎn)移、近月制動進(jìn)入繞月軌道、繞二體拼接的方法設(shè)計地月轉(zhuǎn)移軌道，文獻(xiàn)[8]使用月月軌道下降到月面、月面上升繞月軌道、近月加速進(jìn)球和地球質(zhì)量的比值作為小參數(shù)對月地轉(zhuǎn)移問題的入月地轉(zhuǎn)移和再人大氣著陸到目標(biāo)著陸場。載人登兩點邊值問題進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[9—12]研究了如何實月的軌道設(shè)計相比普通的月球探測軌道設(shè)計復(fù)雜很現(xiàn)低能量的月地轉(zhuǎn)移軌道。本文將利用幾何分析的多，在設(shè)計階段需要考慮每個任務(wù)階段的窗口吻合，方法對月地轉(zhuǎn)移窗口進(jìn)行分析，研究飛船如何滿足總?cè)蝿?wù)時間不能太長，同時盡量減少整個過程中的再入角和再人航程要求的

4、情況下返回目標(biāo)著陸場。燃料消耗?？紤]到故障情況下飛船能返回地球，地月最后，利用雙二體模型對上述幾何分析的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移軌道通常采用自由返回轉(zhuǎn)移軌道或混合軌道Ⅲ。驗證。同時，地月轉(zhuǎn)移時需要考慮合適的發(fā)射窗口使得飛在本文中，為獲取月地返回過程全軌道的解析船能在適合的時間到達(dá)著月點上空。執(zhí)行月面活動解，近似將月地轉(zhuǎn)移軌道延伸至著陸場，替代再入大后，飛船需要返回目標(biāo)著陸場。月球轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射氣段的彈道。這樣，我們將此從月球環(huán)月軌道加速后窗口受月地轉(zhuǎn)移窗口和繞月軌道參數(shù)的限制。因此，的月地轉(zhuǎn)移軌道，直至返回地球著陸場的返回全過

5、整個軌道設(shè)計需要一起規(guī)劃，要設(shè)計一個能滿足所程的軌道統(tǒng)稱為“返回轉(zhuǎn)移軌道”。有任務(wù)約束的完整軌道，需要充分了解自由返回轉(zhuǎn)2返回轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計移軌道和月地返回轉(zhuǎn)移軌道的特性。目前，對地月轉(zhuǎn)移軌道的研究較多，包括自由返回轉(zhuǎn)移軌道和混本節(jié)將討論返回轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計方法，包括解收稿日期：2011-07—13；修回日期：2012—11-11作者簡介：~(1981-)，男，博士，講師，主要從事航天器動力學(xué)與控制研究工作。E-mail：gongsp@tsinghua．edu．Oil第6期龔勝平等：基于雙體模型下載人登月返回轉(zhuǎn)移軌道特

6、性分析21析分析方法和數(shù)值優(yōu)化算法。解析方法從軌道的幾地心一升交點方向的單位矢量可以表示為何特性出發(fā)得到返回轉(zhuǎn)移軌道參數(shù)隨月球出發(fā)時刻n=[cosQsinl~0](7)變化情況，解析方法提供一種快速分析工具。數(shù)值方可以得到近地點幅角為法采用從再人點到影響球的逆向設(shè)計和從月球軌道f-1，、fCOS(。n)，≥0，、到影響球的正向設(shè)計相結(jié)合的思路，將軌道設(shè)計問={l一，(8J題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問題，通過優(yōu)化得到符合各種工—eos(‘Pn)，<0月球出發(fā)時刻和月球到再人點轉(zhuǎn)移時間已知的程約束的返回轉(zhuǎn)移軌道。解析方法的結(jié)果可

7、以為數(shù)情況下，軌道傾角、升交點赤經(jīng)和近地點幅角由著陸值優(yōu)化方法提供初值。2．1返回轉(zhuǎn)移軌道解析分析場的位置唯一確定，上述方法無法保證再人點到著利用解析方法定性分析從月球到目標(biāo)著陸場的陸場之間的航程滿足要求。為了描述方便，利用再人點到著陸場的弧段長度來描述航程。當(dāng)再人角位于返回轉(zhuǎn)移軌道特l生。從月球出發(fā)時刻月球的赤經(jīng)赤再入走廊時，從再人點至返回轉(zhuǎn)移軌道近地點的弧緯分別為A，，月球一地球連線方向可以表示為段幾乎不變，約為11。。因此，可以利用近地點至著陸e=(-COS~cossinAcosO~一sin](1)場的弧段描

8、述航程。假定返回轉(zhuǎn)移軌道的近地點方設(shè)目標(biāo)著陸場的經(jīng)緯度為(A，，)，s為再人時向為月球出發(fā)時刻的月地連線方向，近地點至著陸刻對應(yīng)的格林尼治平恒星時，在慣性坐標(biāo)系下地心一場的航程可以解析給出。分兩種情況計算，第一種情著陸場的方向可以表示為況是近地點和著陸場處于不同半球，如圖1(a)所示，￡=[cos(A，+．s)c0ssin(Af+S)cos~fsines](