载人月球极地探测定点返回轨道设计

针对载人月球极地探测任务，对定点返回轨道优化设计问题进行了研究。根据月球极地轨道的特性，介绍了三种返回轨道机动方案。结合三脉冲变轨方案，采用了从初步计算到精确计算的串行求解策略，对定点返回轨道进行优化设计。初步计算阶段，建立了基于近月点伪参数的三段二体拼接模型，将三脉冲机动段与月球逃逸段解耦，求解轨道初值；精确计算阶段，提出了两段拼接方法，分别进行逆向和正向高精度数值积分。经过仿真测试，验证了该策略求解的有效性和准确性。最后，通过大量的仿真计算，分析了定点返回轨道的特性。研究结论对未来载人月球极地探测定点返回轨道方案的设计具有重要的参考价值。     

多约束条件下月球南极探测返回窗口设计

针对月球南极探测任务,综合考虑中国地基深空测控系统现状、月球南极地区光照及地球再入终端等约束条件,利用月球反垂点概念,提出一种从环月轨道出发的三级返回窗口搜索策略.其次,提出一种改进多圆锥截线法,将月球非球形摄动加入到区间的轨道外推中,基于二级返回窗口对返回轨道进行了初步设计.给出以月球南极地区Shackleton撞击坑边缘一点为假定落点,于2020年自月球南极地区返回的仿真算例.仿真结果表明：一方面,窗口搜索方法可以有效解决多约束条件下的月球南极返回窗口设计问题;另一方面,改进多圆锥截线法作为一种初始轨道设计方法,可以有效减少再入误差,同时为后续高精度轨道积分提供良好初值.     

地月自由返回轨道设计

载人月球探测任务需要着重考虑任务的安全性,能否“自由返回”是很重要的一项指标。在轨道设计上存在两项要求,首先是地月转移,然后是经月球近旁转向并判断能否返回地球,即实现飞越月球以后的无动力返回。文章结合精确的行星历表(DE405),首先比较不同力模型中同一条轨道的返回情况,以确定初始轨道设计过程中需要考虑的摄动力;然后分析了返回时近地距的各种影响因素,包括出发时刻、转移时间、倾角组合等,提出了一种可使返回近地距逐渐向设定的目标值靠拢的单向搜索方法,该方法简单易行,可信度高,能够满足轨道设计时要求的各项约束条件。该工作对中国将要进行的载人月球探测任务中需要用到的自由返回轨道的设计具有一定的参考价值。     

三维引力辅助机理分析

针对星际探测中的引力辅助技术,通过引入两个参数,将平面椭圆型限制性三体模型拓展到三维椭圆型限制性三体模型.通过逆向与正向积分,得到引力辅助前后飞行器的能量和角动量,据此将引力辅助轨道划分为16种类型.深入讨论了这两个参数对轨道类型、轨道能量和轨道倾角的影响,总结出了相应的变化规律.以地月系统为例,针对不同任务要求,给出了通过月球引力辅助,实现地月系统俘获与逃逸的引力辅助参数的选择区域,并对引力辅助参数进行了优化.     

大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响

本文在考虑大气密度(90km高度以下) 随地理纬度、高度及时间(月份)随机变化的基础上,沿卫星的返回轨道建立了随机大气密度的统计模型。并应用该模型产生的随机大气密度样本,进行返回轨道的Monte Corlo法模拟计算。通过对模拟计算得到的返回轨道参数样本的统计处理,本文分析了大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响。另外,本文还介绍了近似估计大气密度变化对返回轨道参数影响的影响系数法。     

载人地月混合轨道一次脉冲应急返回轨道分析

对于载人地月转移任务，应急返回轨道是航天员安全返回地球的保障。针对载人混合轨道地月转移对安全性要求高的特点，基于载人地月混合轨道，提出了3种一次脉冲的应急返回轨道，即直接返回、即刻机动绕月返回及绕月后机动返回等模式。研究了不同时刻发生故障后，利用3种应急模式返回地球的转移时间和速度增量等特性，研究了载人地月转移全过程出现故障后的应急方式，总结了3种应急模式的应用特点及优劣，可为载人月球探测任务顶层任务分析与设计提供参考。     

部署retro-GEO巡视器的月球借力飞行轨道分析

retro-GEO是指逆行（retrograde）地球静止轨道（geostationary Earth orbit, GEO）,该轨道与GEO轨道高度相同或相近,但倾角为180°,安装在retro-GEO卫星上的巡视器可每12h对GEO带空间资产附近碎片环境安全预警。直接西向发射retro-GEO卫星存在地面测控和发射能耗较大的困难。基于平面四体模型,为降低设计变量敏感性,以近月点参数为设计变量,建立了部署retro-GEO巡视器的月球借力飞行轨道设计模型,利用轨道动力学模型延拓策略,得到该类轨道绕月后返回地球飞行时长只能约为114.79h,该结论可用于求解该类轨道高精度轨道动力学模型解。     

地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析

地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性,是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求,分析并研究了地月L2点周期轨道(halo轨道)对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下,研究并给出了halo轨道族延拓计算方法,基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族;给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型,定义了相应的时间覆盖因子;数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明:地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性,幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好,幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好,南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国"嫦娥4号"月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。     

全力以赴确保实现探月工程第三步目标——专访探月工程副总指挥、国防科工局探月与航天工程中心主任刘继忠

<正>最近,我国探月工程三期再入返回飞行试验器的服务舱完成了第三阶段拓展试验。为此,本刊通讯员和记者对探月工程副总指挥、国防科工局探月与航天工程中心主任刘继忠进行了专访。记者:嫦娥-5试验器的服务舱已完成了第三阶段拓展试验,这三个阶段的拓展试验有哪些主要内容?刘继忠:第一阶段主要是试验服务舱拉起、大椭圆停泊轨道飞行、地月L2点飞行及返同月球的过程。它实现了一次发射、三次奔月、两次借助月球引力飞行。在两次月球借力飞行中,第一次是借助月球引力转向,形成自由返回轨道,将返回器送回地球;第二次是借助月球引力飞向地月L2     

地-月L2点中继星月球近旁转移轨道设计

位于地月L2点周期轨道的中继星将首次为"嫦娥4号"月球背面着陆探测任务提供通信中继服务。中继星转移轨道设计是中继任务实施的关键环节。针对中继星转移轨道存在转移时间、近月点高度和halo轨道振幅等约束条件,系统研究了基于月球近旁的地月L2点转移轨道设计方法。首先基于限制性三体模型,分析了halo轨道族与着陆点可见性关系;然后将月球近旁转移轨道分为地月直接转移段和地月动平衡点附近周期轨道拟流形入轨转移段,采用带有状态约束的微分修正算法对这两段轨道进行拼接,得到了从地球附近至目标轨道族的月球近旁转移轨道;最后,针对南族halo轨道分析了halo轨道振幅和月球飞越高度对转移轨道设计的影响,以及转移轨道的入轨相位分布。仿真结果表明:月球近旁转移轨道设计方案具备工程上的可行性与优越性。该方案可以为实际工程任务和应用提供参考。     

垂直返回重复使用运载火箭弹道特性分析和优化设计

针对重复使用弹道设计中上升段弹道与返回段弹道之间相互耦合的问题，本文提出一种简化总体弹道优化设计的方法，首先根据影响返回段设计的一子级射程关键约束，进行上升段的弹道设计，经分析在同样的一子级射程约束情况下，上升段存在两组分离点参数，其次分析了在不同的分离点情况下，上升段和返回段在前场和原场两种返回模式下的运载能力损失情况，并对相关弹道特性进行了分析，得出在前场返回情况下优选低弹道方案，原场返回情况下，优选高弹道方案，该结果可为垂直返回重复使用运载火箭的弹道设计提供参考。     

月面上升的轨迹优化与参数分析

面向月球采样返回任务分析需求,对月面上升段的轨迹优化及燃料消耗影响因素进行了研究。基于上升器运动模型,建立以燃料消耗最优为目标考虑入轨约束的轨迹优化模型,通过Gauss伪谱法和序列二次规划求解上升过程最优推力方向。改变运动模型中的初始推重比、入轨约束中的目标轨道参数,根据轨迹优化结果得到对应的燃料消耗,分析了这些因素对上升器燃料消耗的影响。针对上升器非共面起飞的问题,提出了上升偏航、升交点调整、倾角调整3种方案,从燃料消耗的角度分析了各方案的适用情况,为未来工程应用提供参考。     

基于遗传算法的载人航天器标准返回轨道设计

载人航天器返回时,根据任务的要求,需要设计一条标准返回轨道,作为制导时的参考轨道。文章探讨利用遗传算法（ＧＡ）来自动设计标准返回轨道。通过仿真表明,遗传算法在标准返回轨道设计中具有一定的优越性。仿真结果满足任务要求。     

AIUB-CHAMP02S: The influence of GNSS model changes on gravity field recovery using spaceborne GPS

The gravity field model AIUB-CHAMP02S, which is based on six years of CHAMP GPS data, is presented here. The gravity field parameters were derived using a two step procedure: In a first step a kinematic trajectory of a low Earth orbiting (LEO) satellite is computed using the GPS data from the on-board receiver. In this step the orbits and clock corrections of the GPS satellites as well as the Earth rotation parameters (ERPs) are introduced as known. In the second step this kinematic orbit is represented by a gravitational force model and orbit parameters.     

嫦娥五号月面上升和下降段实时轨道确定

针对月球探测中月面上升和下降段的实时轨道确定问题,提出基于三向测量的实时自适应当前统计方法。首先,通过自适应当前统计模型描述探测器月面上升下降过程,其次,综合利用三向数据进行测量更新,最后,通过UKF滤波算法完成实时轨道确定。由于自适应当前统计模型具有良好的适应性,该方法能对探测器月面上升和下降段进行有效定位,通过嫦娥五号探测器实际上升和下降过程数据进行测试,结果表明,文章提出的基于三向测量的实时自适应当前统计方法比传统的几何定位方法具有更好的抗差性,对深空目标探测具有一定的工程应用价值。     

一种短航程再入解析预测校正制导方法

针对载人探月飞船高速再入返回问题,提出了一种短航程低过载的再入解析预测校正制导方法。引入大升阻比航天器滑翔式再入的概念,通过设定再入过程中滑翔段轨迹形式,利用轨迹参数描述滑翔段轨迹,推导出预测航程的解析公式。为使终端误差满足要求,通过试位法校正轨迹参数,并换算得到倾侧角制导指令。在偏差条件下进行仿真,实现了飞船2100km任务航程下400~450s内以低于6.5g₀的过载再入,结果表明,所提制导方法具有较高的精度和较强的鲁棒性,为载人探月飞船应急快速返回提供了参考思路。      

基于合作进化算法的月面返回再入轨迹优化设计

在考虑热流、过载、动压以及开伞点参数等多种约束条件下,针对低升阻比返回舱月面返回再入轨迹优化设计问题,基于分段线性倾侧角参数化策略,提出了采用合作进化算法进行参数优化的策略来实现再入轨迹的快速高精度优化设计.首先采用以能量为自变量的分段线性倾侧角控制参数化策略,将连续最优控制问题转化为有限维参数寻优问题,然后基于逃逸粒子群算法和自适应差分进化算法的合作进化算法求解该问题.数值仿真验证了倾侧角参数化策略的正确性,对比试验分析表明合作进化算法较传统进化算法有更快的收敛速度和更高的优化精度的综合性能,更加适合月面返回再入轨迹优化设计问题的求解.