載人火星飛行軌道方案的設(shè)計(jì)和計(jì)算

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1、Vo1．18No．4載人航天第18卷第4期56MannedSpaceflight2012年7月載人火星飛行軌道方案的設(shè)計(jì)和計(jì)算周旭東(上海航天技術(shù)研究院空間電源研究所，上海200245)摘要通過對(duì)未來載人火星探測(cè)飛行任務(wù)的分析，結(jié)合未來可能的栽人火星飛行方案，對(duì)載人火星飛行任務(wù)的軌道方案進(jìn)行了研究，重點(diǎn)對(duì)地球到火星飛行和火星到地球飛行的霍曼軌道飛行方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)軌道設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)——飛行所需的速度增量和飛行時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算；同時(shí)對(duì)飛行的進(jìn)入、降落火星，及離開火星、返回再入、降落地球等各飛行階段所需的速度增量進(jìn)行了計(jì)算；根據(jù)可能的載人火星探測(cè)飛行時(shí)

2、間，給出了2042年到2054年的計(jì)算結(jié)果。此外，還對(duì)大橢圓、拋物線和金星借力等軌道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，并與霍曼軌道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比，并得出建議載人火星飛行采用霍曼軌道的結(jié)論。關(guān)鍵詞載人火星飛行；軌道設(shè)計(jì)；霍曼軌道；速度增量；飛行時(shí)間中圖分類號(hào)：V412．4+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-5825(2o12)04--0056--071引言2載人火星軌道飛行任務(wù)分析人類對(duì)火星的探索已進(jìn)行了幾十年——都是無2．1載人火星飛行軌道方案人火星探測(cè)，取得了一定的成就，今后一段時(shí)間仍將載人火星探測(cè)地一火飛行軌道可選擇最省能量進(jìn)行；作為火星探測(cè)的第二步——載人火

3、星探測(cè)，是的霍曼轉(zhuǎn)移軌道方案，也可選擇大橢圓、拋物線、金人類在未來二三十年或更長時(shí)間要進(jìn)行深人研究和星借力等其他飛行軌道的方案【l_。實(shí)踐的科學(xué)活動(dòng)。美國、俄羅斯、歐洲在載人火星探按星際飛行軌道任務(wù)分析圜，運(yùn)用相關(guān)的計(jì)算方測(cè)方案方面，都進(jìn)行過研究，都提出過載人火星探測(cè)法，可以計(jì)算地球飛向火星及火星返回地球所需的的規(guī)劃和方案，以及各種載人火星探測(cè)飛行方案。速度增量和飛行時(shí)間。對(duì)于確定的火星飛行軌道設(shè)本文通過對(duì)國外有關(guān)情況的研究，結(jié)合我國未來計(jì)，最重要的參數(shù)就是速度增量(能量)和任務(wù)時(shí)載人火星可能的探測(cè)規(guī)劃和方案，進(jìn)行了載人火星探間。測(cè)飛行全過程從近地軌道發(fā)射

4、、地一火飛行、進(jìn)人火2．2載人火星飛行任務(wù)分析星、降落火星、離開火星、：欠—地飛行、返回和著陸地球在現(xiàn)有人類航天技術(shù)水平基礎(chǔ)上，考慮未來幾的飛行方案初步研究。重點(diǎn)進(jìn)行了載人火星飛行軌道十年進(jìn)行載人火星探測(cè)的可行性，采用化學(xué)推進(jìn)為方案的選擇和設(shè)計(jì)，對(duì)軌道設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)一宜，本文提出的載人火星任務(wù)的方案為：速度增量和飛行時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)分析、計(jì)算，提出了采(1)近地軌道對(duì)接組裝飛船：數(shù)次火箭發(fā)射，在用霍曼軌道作為載人火星探測(cè)飛行的軌道方案；也分近地軌道組裝載人火星飛船；析計(jì)算了大橢圓、拋物線、金星借力等其他飛行軌道的(2)載人火星飛船地一火軌道飛行，并進(jìn)人環(huán)

5、方案；對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了綜合和初步分析?；鹦擒壍里w行；收稿日期：2011-10—27；修回日期：2012—04—18作者簡(jiǎn)介：周旭東(1964一)，男，博士，研究員，主要從事載人航天和深空探測(cè)總體技術(shù)研究。E—mail：dh。@i．c0m第4期周旭東：載人火星飛行軌道方案的設(shè)計(jì)和計(jì)算57(3)航天員乘登陸飛船降落火星表面；面h千米的環(huán)繞速度。(4)航天員在火星表面探測(cè)探測(cè)后，乘飛船離開飛船按霍曼轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入地球到火星的日心火星，進(jìn)入環(huán)火軌道，與環(huán)火軌道上的返回飛船對(duì)接；軌道段飛行的終點(diǎn)為B點(diǎn)，從曰點(diǎn)進(jìn)入環(huán)火星軌道(5)返回飛船進(jìn)行火—地軌道飛行，進(jìn)入地球運(yùn)行

6、所需速度增量為：軌道飛行；△M=，一(6)飛船再人大氣，降落地球表面。本文軌道任務(wù)分析和設(shè)計(jì)包括近地軌道發(fā)射、=(一：)一地一火飛行、進(jìn)入火星、降落火星、火星表面上升、式中，為飛船到達(dá)距火星表面千米的速度，火一地飛行，進(jìn)入地球軌道飛行、返回和著陸地球各為距火星表面千米的環(huán)繞速度。階段。；、：分別為飛船的日心轉(zhuǎn)移軌道段脫離地球3載人火星飛行軌道設(shè)計(jì)和計(jì)算引力作用球和進(jìn)入到火星引力作用球的速度，公式以下按霍曼軌道進(jìn)行載人火星飛行的軌道設(shè)計(jì)如下：和計(jì)算[31。(一)(3)3．1從近地軌道飛向火星和進(jìn)入環(huán)火星飛行及降落火星軌道設(shè)計(jì)(4)3．1．1從近地軌道飛向火星

7、及進(jìn)入環(huán)火星飛行軌道I-is(一)設(shè)計(jì)式中：分別為太陽、地球、火星的引力常數(shù)；飛船從地球軌道點(diǎn)出發(fā)，沿霍曼轉(zhuǎn)移軌道飛R、R分別為地球、火星的運(yùn)行軌道半徑；r￡、分別向火星，進(jìn)入繞火星飛行點(diǎn)軌道，如圖1所示。為地球、火星的平均赤道半徑，h、hM分別為飛船圍繞地球、火星飛行的軌道高度?；鹦菦_日時(shí)，火星離地球最近，此時(shí)RM=+一，為地球與火星之間距離，火星沖日約二年多一次。這樣沿霍曼轉(zhuǎn)移軌道飛到火星、進(jìn)入火星軌道所需總能量為：AV=AVE+△vM=(一一+＼／(一一㈦采用霍曼轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)的飛向火星所需時(shí)間為霍曼轉(zhuǎn)移橢圓軌道周期的一半：圖1飛船沿霍曼轉(zhuǎn)移軌遁飛行圖

8、(6)飛船從A點(diǎn)出發(fā)時(shí)飛向火星所需速度增量為：3．1．2飛船再入火