基于月球借力的低能DRO入轨策略

在地月空间的远距离逆行轨道（DRO）部署月球轨道站可显著降低月球开发成本,并可作为未来小行星探测和载人火星任务的跳板。月球轨道站的在轨建造和货物补给任务中,提高航天器入轨质量是重要问题。从地球至DRO的转移轨道可以采用弱稳定边界（WSB）转移轨道降低入轨脉冲,但是直接抵达WSB需要较高的火箭发射脉冲。研究了基于月球借力的弱稳定边界DRO入轨策略,首先通过“近月点庞加莱图”和“v无穷匹配”获得较好的轨道初值,接着采用“多步打靶”在星历下对转移轨道进行修正,上述方法有效提高了该类型转移轨道的计算效率。对于共振比2∶1的DRO轨道,总脉冲最优解的地球发射脉冲3.127 km/s（与直接抵达WSB相比降低60～70 m/s）,飞行总时间102.88 d,DRO入轨脉冲仅需66.1 m/s。     

椭圆三体问题下月球L2低能逃逸轨道设计

针对圆形限制性三体问题下求解月球探测器逃逸轨道时,不能充分利用月球椭圆公转动力学特性节约逃逸能量的问题,对动力学模型进行拓展,在椭圆三体问题下建立月球探测器轨道动力学方程与能量表达式。首先通过理论推导,求解了探测器逃逸所需的发射能量与逃逸过程中的轨道能量随月地椭圆相对运动状态的数学表达式,对其进行分析发现,同一环月轨道上出发的逃逸探测器所需发射能量与地月距离呈正相关,而逃逸过程中探测器轨道能量变化与地月相向运动速度呈正相关,从而得出在月球接近其近地点过程中发射逃逸探测器可以最大限度节约发射能量的结论。在此基础上,引入庞加莱截面法设计探测器最低能量逃逸轨道。通过寻找使逃逸轨道所在不变流形的庞加莱截面收缩为一点的发射位置与能量,求解不同地月相位下的逃逸轨道能量需求,进而迭代求解能量最优逃逸轨道。最终,通过对比仿真结果得到,月球真近角为283°时发射逃逸探测器将最节约能量,与理论推导的结果相吻合。相对于圆形限制性三体问题下推导的最低逃逸能量,采用椭圆三体模型设计的低能量逃逸轨道可以节约8%左右的发射能量,对于深空探测等任务来说具有明显优势。     

三体系统中引力拖车的偏置非开普勒轨道研究

为了研究太阳-小行星-引力拖车三体系统中引力拖车的轨道运动问题,采用柱坐标系下的Hill方程描述了三体系统中引力拖车的运动情况,应用平均化方法消除周期项的影响,得到平均偏置非开普勒轨道的表达式,并研究了轨道稳定性与引力拖车最大有效拉力等问题.研究表明:三体系统中,在小行星飞行方向（或反方向）上存在偏置非开普勒轨道;与二...     

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.     

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。     

地月L2点Halo轨道支持的登月轨道优化设计

针对低成本月球探测任务轨道设计问题,基于不变流形提出了地月L2点Halo轨道支持的登月方案,并研究了轨道优化设计方法。建立了3脉冲从近地停泊轨道(LEO)到环月轨道(LLO)的不变流形转移轨道数学模型;设计了全局遍历初值搜索和局部梯度优化的串行优化设计方法,并采用圆型限制性三体模型(CR3BP)优化了一条从LEO出发,通过稳定流形轨道、地月L2点Halo轨道、不稳定流形轨道,最终抵达LLO的燃料最优转移轨道;给出了仿真实例,仿真结果验证了文章所述方法的正确性。研究结论可为未来低成本地月转移或Halo轨道空间站支持的登月方案提供参考。     

月球卫星精密定轨

随着空间应用需求的日益增大,深空探测已成为现实,而月球显然是人类走向深空的首选目标。发射月球探测器通常分3个阶段,其运动状态分别对应3种不同类型的轨道:近地停泊轨道、地月转移轨道和绕月轨道。月球是1个慢自转天体且无大气,就轨道解而言这些因素导致环月卫星的运动与地球卫星有所差别。本文针对月球探测任务的特点,从月球与地球的差别入手,在仔细分析月球卫星的受力状况前提下,着重阐述月球探测器在环月段精密定轨的方法原理和具体实现过程。     

小推力航天器的地月低能转移轨道

 在限制性四体模型下研究基于小推力方式的地月低能转移问题,通过借助于平动点轨道的相空间结构来揭示小推力转移的机理。重点研究了小推力转移自由飞行段的构造：经由LL₁点穿越获得最小能量的低能转移;而经由LL₁点Halo轨道穿越,得到(M,N)圈穿越轨道;由于Halo轨道相对于平动点增加了一维度的选择,根据(2,2)圈穿越轨道构造该转移的自由飞行段。在地球势阱逃逸和月球势阱捕获段,分别设计了合适的小推力的控制律及发动机开/关机时间,成功实施近地球段的小推力加速和近月球段的减速。尽管未对所得到的结果进行优化,所得转移轨道的燃料消耗也与类似边界条件的SMART-1轨道基本一致。     

基于大幅值Lyapunov轨道的地月转移轨道设计研究

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转移问题转化为地球到大幅值Lyapunov轨道的转移问题。为保证探测器能够从近地轨道（LEO）切向逃逸到达大幅值Lyapunov轨道,通过计算其稳定流形,采用最近点作为Poincaré截面的终止条件求解探测器的初始状态,并根据初始状态完成地月轨道的设计。仿真结果表明,该地月转移策略相比于Hohmann转移,在同样只需要两次速度增量的前提下,约节约100 m/s的速度增量,该研究为地月转移轨道的设计提供了一种新思路。     

地月L2点空间站转移轨道设计与特性分析

针对低运输成本的未来地月L2点Halo轨道空间站补给任务轨道转移问题,研究了基于不变流形和月球借力的间接转移轨道设计方法及轨道参数特性。首先建立了三脉冲从近地停泊轨道出发到Halo轨道的间接转移轨道设计模型;然后提出了二体解析初值搜索和局部梯度优化相结合的串行优化方法,并采用圆型限制性三体问题模型验证了方法的正确性与快速性;最后,通过大量仿真算例分析了间接转移轨道参数特性。结果表明不变流形插入点相位和Halo轨道幅值对间接转移轨道燃料消耗影响较大,而月球借力高度影响则比较小。     

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。     

月球返回轨道再入角变化特征

再入角是航天器返回大气层时在再入点处速度方向与"地平面"之间的夹角。若忽略地球的非球形因素,则可近似的看做轨道切向与横向之间的夹角。为了避免探测器过热问题,一般再入角不宜太大,在3°～8°之间。文章以只在近月点进行一次制动的月球探测器的霍曼转移型的返回轨道为例,通过对轨道性质的分析和数值计算,说明地月相对位置和地球自转对月球返回轨道再入角的影响。分析和计算得到以下结论:1)对于相同的转移时间和固定的再入点,当月球位于南纬最高点时,则再入角的绝对值可以取到最小值;2)对于相同的转移时间和固定的再入角,当月球位于南纬最高点时,再入点的纬度可以取到最大值;3)转移时间越短,再入角的绝对值可以取到更小值,而再入点纬度可以取到更大值。以上这些极值对应的都是极轨轨道。     

月球导航星座轨道的地球GNSS可见性评估

随着月球探索进入一个新的时代,为确保未来月球任务的实时高精度定位,大幅提高登月航天器的自主性,且减少对地球基站的依赖,选取合适的轨道构建月球导航星座,并且实现月球导航星座与地球GNSS的通信链路同步尤为重要。为评估月球导航星座轨道中卫星接收GNSS信号的性能,首先对椭圆形月球冻结轨道(ELFO)、近直线晕轨道(NRHO)、顺行圆形轨道(PCO)和低月球轨道(LLO)4种轨道进行仿真。然后基于天线方向图等指标仿真了GNSS卫星信号,并依据主旁瓣波束宽度和载噪比等仿真结果评估了4种不同轨道卫星对GNSS的可见性。结果表明,NRHO和ELFO对GNSS星座有较好的可视效果,最高可见时间占比达99.57%,保障了绝大部分时间内能够稳定接收GNSS信号,有助于实现月球导航星座轨道卫星的轨道和时钟校正,并保证轨道的定位性能。     

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。     

WSO／UV（世界空间紫外天文台）的轨道特征与轨道保持

WSOO／UV(世界空间紫外天文台)需要发射到日-地(月)系的共线平动点L1附近进行巡天观测，相对日-地(月)要求其几何位置几乎不变，因此有必要阐明共线平动点的动力学特征及其附近的运动状况。本文基于这一点，对限制性三体模型下，日-地(月)系中共线平动点附近扰动运动的稳定性作了理论分析，给出了WSO／UV轨道保持的条件及其在运行阶段的轨控措施。     

基于中继测量的环月探测器定轨能力分析

嫦娥四号月球探测拟首次实现月球背面的软着陆,测控与数传依赖地月L2平动点的中继卫星,并有望获取四程测量与星间测量数据。对基于中继测量的环月探测器测定轨能力进行了仿真分析,结果表明,中继卫星可较好地实现环月探测器连续跟踪;在定轨能力方面,中继卫星自身轨道精度是制约环月探测器定轨精度的重要因素,当跟踪弧段达到5h以上时,定轨精度趋于稳定,但轨道精度较中继卫星的轨道精度相差1个量级;对于星间链路测量,除中继卫星自身的轨道精度外,星钟的稳定性是制约定轨精度的另一个重要因素,如果辅助以每天1h的地基跟踪亦可实现优于百m的定轨精度。     

日本“月神”月球探测器

今年9月14日,日本"月神"(也被称为"辉夜姬")月球探测器发射升空,成为了亚洲探月的领跑者。与其他国家的单一月球探测器相比,"月神"最大的特点就是携带了两颗子卫星:甚长基线干涉测量无线电(VRAD)子卫星和中继子卫星。VRAD 子卫星主要用来协助主卫星绘制月球重力场分布图,通过使用多普勒测距仪来测量主卫星轨道随着下方月球表面密度波动而产生的变化。当主卫星在月球背     

基于圆型限制性三体问题模型的行星卫星逃逸能量研究

 基于由飞行器、行星及其卫星组成圆型限制性三体问题模型，通过庞加莱映射的方法，研究了飞行器从行星卫星附近逃逸的问题。在Jacobi常数确定的前提下，通过逆向积分，飞行器从L1或L2点附近返回近月点，得到近月点速度出发速度。研究结果表明绕飞L1点和L2点逃逸行星卫星需要的最低能量是不同的，从月球表面逃逸所需的速度脉冲分别比开普勒算法节省46.5m/s和42.3m/s，且均小于Villac等人在Hill模型下得到38.9m/s，从而改进了Villac等人的相关工作，同时也给出了从太阳系主要行星卫星表面逃逸所需的最小能量。     

月球重力场模型误差对CE-5T1探测器定轨的影响

利用嫦娥五号再入返回飞行试验拓展任务期间获取的探测器(CE-5T1)实测数据,采用内符合方法比较了3种重力场模型的实测数据定轨结果,发现采用GRAIL(Gravity Recovery And Interior Laboratory,重力恢复与内部实验室)重力场模型进行定轨的结果最优。相比于之前的嫦娥系列探测器定轨常用的LP(Lunar Prospector,月球勘探者)重力场模型,采用GRAIL重力场模型定轨后测距数据的残差降低了1个量级。进一步采用不同重力场模型进行轨道外推,定量分析重力场模型对不同类型轨道的影响,结果表明,对于倾角为90°的环月极轨道,不同重力场模型的轨道外推结果差异较小;而对于倾角为20°和40°的环月轨道,不同重力场模型的外推星历的偏差均方根可达到2km,大于当前环月探测器的定轨精度。为此,建议在后续探月任务中使用GRAIL重力场模型进行轨道确定。     

高轨卫星的轨道寿命

地球,月球和各大行星的卫星（自然卫星或人造航天器）运动,基本上可处理成考虑主星扁率的限制性三体问题,对于绕主星m1(作为中心天体）运动的高轨卫星,摄动源即主星m1的扁率（非球形引力修正项J2）和另一主星m2的引力（亦称第三体引力摄动）。这类卫星的轨道寿命主要取决于主星m1扁率的大小,卫星的高度和相对主星m1赤道面的轨道倾角,对于高轨卫星,当倾角较大时,轨道寿命将不会很长,由于第三体的引力摄动,轨道偏心率有变幅较大的长周期变化,在运动过程中,其值将会大到使得轨道的近星距rp=a(1-e)≤a,卫星落到主星m1,这里a是主星m1的赤道半径 。