月面人机联合探测概念研究

月面人机联合探测是载人月球探测任务的基础,是制定载人登月任务模式、设计登月飞行器系统方案的前提。以未来载人登月和月球基地任务为背景,对月面人机联合探测的需求进行了分析,梳理了不同阶段月面典型作业活动,并以此为基础,对月面人机联合探测系统方案进行了论证,设计了面向不同任务的系统组成,分析了月面人机联合探测关键技术,为后续开展有人参与的月球探测任务提供参考。     

奔月之路

要使绕月探测卫星进入月球轨道,其速度应该达到多少呢?有人可能认为应达到11.2千米/秒的第二宇宙速度,实际上只要使初始速度大于10.6千米/秒(近地点600千米),绕月探测卫星就可飞向月球。这是由于月球本身处在地球引力范围内,当绕月探测卫星的飞行轨道在离月球6.6万千米之外时,主要受地球引力作用,是相对地球的椭圆轨道;在离月球6.6万千米之内以后,主要受月球引力作用,是相对于月球的双曲线轨道。     

载人登月地月转移轨道方案综述

在总结国内外月球探测地月转移轨道研究进展与现状的基础上,从整体上研究了地月转移轨道的设计模型及设计约束,分析了不同类型地月转移轨道的特点及适用性。结合载人登月飞行任务特点,讨论了可满足载人登月任务约束的轨道类型及方案,并通过仿真计算和对比现有转移轨道研究结论,分析了不同类型轨道的飞行时间、能量消耗、月面可达区域等特性,提出了应用建议,可为载人登月任务地月转移轨道方案深入研究提供参考。     

搭载平动点中继星的载人自由返回探月轨道设计与优化

针对意义重大但目前尚无成功先例的月球背面载人登月任务,通过建立地惯系三体动力学模型,采用微分修正法迭代计算,设计了未来载人登月任务的候选自由返回轨道;通过建立旋转系三体动力学模型,利用"类Halo轨道截面"法,得到了从自由返回轨道以最低能耗转移到L2点halo轨道的拼接轨道。仿真计算结果显示所优化设计的搭载中继星的载人自由返回探月轨道既能满足任务安全要求,又能以最小能耗布设中继星座并提供中继任务支持。设计方法和结果可对未来月球背面载人着陆探测任务安全轨道设计和月球中继星座的设计方面提供参考。     

嫦娥探测器轨道测定中的科学与技术问题

嫦娥探测器轨道测定技术既是成功完成工程任务的基础,也对月球科学研究起着重要作用。嫦娥探测器的轨道测定与地球航天器的轨道测定有诸多不同之处,本文介绍了绕月球探测与绕地球探测在测定轨技术方面的差异,并介绍了基于"嫦娥一号"、"嫦娥二号"月球探测器建立月面地形以及月球重力场模型的研究进展,最后分析了"嫦娥二号"平动点飞行试验以及小行星探测试验的测定轨能力。这些技术不仅在月球探测工程中起到关键作用,对我国后续深空探测也有很好的借鉴意义。     

地月系统循环轨道初步设计与特性分析

基于平面圆型限制性三体问题(CR3BP)模型,根据轨道弧以及顺行和逆行特征采用圆锥曲线拼接法设计了5类地月系统周期轨道。以地月系统循环轨道的工程约束为出发点,从轨道周期、近地点高度、近月点高度、交会对接速度、轨道稳定性等方面分析了这5类周期轨道的特性,从中选择了适合地月系统循环轨道任务方案的周期轨道,并对周期轨道进行了优化。该研究为我国未来载人登月工程提供了一种新的思路与理论技术支持。     

基于地月L1点的载人登月飞行方案分析

为解决传统载人登月方案中重型运载火箭难以研制、交会对接窗口选择困难等问题,提出了符合我国现有技术条件的基于地月L1点的载人登月方案设想。基于对圆形限制性三体模型和地月三,点特性的分析,将载人登月任务划分为不同的飞行阶段,研究了载人登月任务的规模、系统组成以及各舱段的质量分配等。通过与基于环月轨道方案各参数的分析和对比,提出通过付出较小代价将基于环月轨道的载人登月方案转化为基于地月,L1点的载人登月方案的方法。结果分析表明,经方案转化,不但能充分发挥地月L1点的优势,而且在一定条件下可以使节省燃料成为可能。     

可移动式月球着陆器在载人月球探测活动中的任务分析

基于对阿波罗计划登月舱以及其它载人月球探测计划着陆器系统任务的调研,针对固定式着陆器任务与功能的局限性,提出了可移动式月球着陆器概念,以未来载人登月以及载人月球基地任务为背景,分析了可移动式着陆器在月面大范围探测、增强探测灵活性和月球基地建造、运营等任务中的优势:移动式月球着陆器能够兼顾载人登月任务和月球基地任务,优化月面系统组成,实现两个任务的衔接和过渡,对以建立月球基地为目标的载人航天计划、移动式月球着陆器以及基于着陆器形成的探测模式都很有助益。     

载人登月返回轨道发射窗口分析与设计

将航天员安全送回地球是载人登月无论成功与否都必须执行的任务。本文建立了从环月轨道出发,以月地转移轨道为设计目标,满足轨道、光照、测控和地球再入等约束的发射窗口的计算模型;提出了从着月点窗口起算、逐步反推的发射窗口选择算法。最后,给出包括低纬/高纬、陆地/海洋四个回收场的月地转移轨道仿真算例。研究结果表明,在我国境内(包括近海)可以实现载人登月的陆地或海洋、低纬或高纬的回收。     

“秋千式”月面下降/上升单级可重用运输系统概念设计

针对未来载人月球探测的任务需求,提出了"秋千式"月面下降/上升单级可重用运输系统的概念设计方案。对运输系统组成与功能、任务过程、方案可行性以及发射成本进行了分析,并提出了方案面临的技术挑战。结果表明:相比阿波罗计划,方案中单次载人探月任务发射质量可减少至原来的1/3以内,月面下降/上升速度增量需求也能降低1/2以上;可重用运输系统能有效增加任务次数,充分提高任务的经济性,且在强度和轨道设计方面初步具备可行性。     

地月系L1点的月球借力间接转移轨道设计

针对地月系L1点（LL1）的轨道转移问题,在平面圆型限制性三体问题模型下,提出了利用月球借力的间接转移设计方法.转移设计分为地月转移轨道段和月球至LL1流形段.首先,通过改变LL1点初始机动速度,逆向积分LL1点的拟流形,以寻找初始速度、月心会合坐标系下的轨道高度和相位角这三者之间的关系,确定月球—LL1流形段微分改正的初始条件.然后,借助地月系不同转移时间的霍曼转移轨道所对应的近月点高度和相位角的关系,获得使2段转移在近月点相拼接的地月转移轨道段.这种设计方法给出了一系列LL1点间接转移轨道,将此设计结果与其他文献中的转移设计方法进行比较,此间接转移轨道比低能量转移轨道节省时间,比直接转移轨道节约能量.     

低温推进剂在轨贮存与管理系统方案研究

为解决空间恶劣热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,低温推进剂在轨贮存与管理系统应具备绝热、贮箱压力控制、推进剂管理、热量转移及制冷等功能。以载人月球探测任务、载人火星探测任务中低温轨道转移级为背景,阐述了低温推进剂在轨贮存与管理系统的方案:低温贮箱采用泡沫+多层隔热材料复合结构、基于碳纤维复合材料的V20型杆系连接支撑结构、可充填式启动篮推进剂管理装置等方案;载人月球探测任务中低温轨道转移级压力控制可采用推进剂沉底排气方案;对于载人火星探测任务,低温轨道转移级压力控制可采用热力学排气方案,并采用低温制冷机主动制冷。     

月面服务机器人研究进展及发展设想

针对我国后续无人月球探测和载人月球探测中巡视勘察、资源利用、设施建造等任务对多功能巡视作业功能的月面服务机器人的迫切需求,综述了国内外轮腿式、可重构、仿生、翻滚式、弹跳式等新概念月面机器人的研究进展;结合无人月球探测及有人月球探测的任务,分析了月面活动对机器人高效移动、载荷操作、月面组装等需求;在此基础上,提出了月面服务机器人向轮腿式、可重构、多机协同、人机协作等方面发展的设想。可为我国后续无人月球探测和载人月球探测提供参考和借鉴。     

月面人机联合采样探测发展趋势与任务设想

针对月球资源的探测与原位利用需求,概述了月球资源遥感探测、采样返回分析及原位采样探测技术现状和发展趋势。面向载人登月采样探测工程需求,围绕月面人机联合采样探测,提出了不同阶段表层样品采样探测、广域分布式原位探测、大尺度月壤剖面科学钻探等任务设想,为我国未来载人月球探测总体方案制定和航天员用智能设备的研制提供参考。     

月地转移轨道精确轨道设计

以基于Lambert算法的快速轨道设计结果为初值,开展精确轨道设计研究.通过对月地返回飞行阶段的摄动项和量级分析,建立了月地转移轨道的动力学方程,提出了一种双向嵌套循环搜索算法,采用该算法求解同时满足两端约束条件的精确月地转移轨道.该算法以出月球影响球的时刻和位置、速度为中间变量,一方面采用前向数值积分和微分改正法搜索满足地球再入端的轨道,另一方面采用后向数值积分并进行倾角和近月距修正得到满足月球端的轨道,通过这种双向嵌套循环,使得两段轨道在月球影响球边界处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束条件的月地转移精确轨道.最后以2017年1月26日出月球影响球作为返回窗口,给出了具体的设计算例,并通过STK软件仿真验证了程序的设计结果.     

载人登月着陆器奔月窗口搜索方法

对环月轨道共面交会的载人登月任务中,着陆器(LM)奔月零窗口与轨道参数精确快速设计方法进行了研究。任务采用人货分离奔月模式,着陆器于载人飞船到达环月轨道前抵达环月共面交会轨道,着陆器近月点一次共面减速完成近月制动。提出一种三层快速精确奔月窗口搜索方法:第一层采用地心二体轨道理论解析计算月窗口及奔月轨道参数初值,作为正确性基本参考;第二层采用改进的双二体解析动力学模型求解月窗口内奔月轨道参数变化规律;第三层采用高精度轨道动力学模型和SQP_Snopt优化求解奔月零窗口及轨道参数精确解。仿真结果表明,本文提出的三层逐级奔月窗口搜索方法能快速精确求解载人登月任务中着陆器奔月窗口及精确轨道参数,也揭示了影响着陆器奔月窗口的主次因素和规律,为中国未来载人登月工程提供参考。     

月面机器人探测路线图及典型方案研究

月面机器人具有环境适应性好、工作时间长和安全性高等特点,是未来无人/载人月面探测中的重要支持系统。在分析整理国内外月面机器人探测历史与规划的基础上,梳理月面机器人探测任务需求。结合中国探月工程总体规划和技术水平,提出月球南极、中低纬度和月球背面月面机器人探测的路线图,并从科学价值、工程可行性等方面对各阶段着陆地点进行初选;详细阐述以水冰探测和生物学实验为主要目标的月球南极Shackleton山跨明暗界线探测方案,以及以人机联合探测、大深度地质钻探为特色的中低纬度海陆边界区探测的任务目标和系统方案,可为探月任务的实施提供参考和启示。     

轮腿式可移动载人月面着陆器概念设想

为提高月面探测的机动范围和探测能力,提出了一种新型轮腿式可移动载人月面着陆器方案设想,综合载人月面着陆器和月球车的能力,具备轮式高速移动和腿式高效避障的优点,支持月面着陆和起飞任务的执行,支持较大范围的机动作业,支持月球基地构建和运营,满足载人登月以及月球基地任务的应用需求;提出了轮腿式可移动载人月面着陆器所涉及的关键技术,可作为后续开展深入研究的参考。     

地球低轨道空间站往返月球的转移轨道设计

围绕地球低轨道空间站约束下的地月往返转移任务,基于圆锥曲线拼接模型和兰伯特问题提出了该约束下的地月/月地转移轨道解析设计方法,并利用高精度动力学模型对初始轨道设计方法进行了验证;对中国空间站和国际空间站往返于月球的转移轨道进行了特征分析,包括轨道转移窗口、速度增量、转移时间以及月固坐标系下的可达月球低轨道和出发月球低轨道。结果表明:中国空间站或国际空间站与月球低轨道之间的往返轨道转移窗口每月至少存在3个;空间站轨道倾角不影响速度增量与转移时间,且不影响可达月球低轨道或出发月球低轨道在月固坐标系下的轨道倾角-升交点经度分布;利用高精度动力学模型可有效针对轨道面约束下的初始轨道设计结果进行修正。     

基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道设计

针对地月空间货运任务和环月轨道空间设施建设任务,提出一种弹道逃逸和小推力捕获相结合的新型地月轨道转移模式,并建立了一整套该类型轨道设计方法。首先,在三体模型假设下分别建立地心弹道逃逸轨道和月心小推力捕获轨道的二维极坐标动力学模型。对于弹道逃逸轨道,将地心旋转系对准角和地月转移加速速度增量作为控制变量,提出初值估计解析公式,并应用序列二次规划算法进行快速求解。对于小推力捕获轨道,以月心距为参考量设置与弹道逃逸轨道的拼接点约束,提出能量匹配方法预估飞行时间,采用最优螺旋轨道的初始伴随状态解析式预估近月点伴随变量初值。基于混合法和轨道逆推思想,采用人工免疫算法进行小推力捕获轨道求解。仿真结果表明,基于弹道逃逸和小推力捕获的地月轨道转移方式大幅降低了近月制动燃料消耗,能快速穿越地球辐射带,且飞行时间适中;同时,提出的轨道设计方法能快速搜索到基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道,验证了该方法的有效性。