约束条件下垂直着月窗口设计

用双二体模型和最新的星历表数据,给出了奔月过程中的光照、测控和轨道运动学等约束条件下月球探测器通过停泊轨道中转垂直着月的窗口,以及停泊轨道和地月转移轨道的运动学参数的确定方法,并进行了仿真计算。分析表明,该方法可快速计算探测器发射窗口,为精确轨道设计的搜索提供初始条件。     

地月空间对称自由返回轨道设计与分析

为快速设计出适合载人月球探测任务和地月空间人员运输任务的自由返回轨道,在三体模型下研究了地月空间对称自由返回轨道的设计方法及其轨道特性。首先,在圆型限制性三体模型建立自由返回轨道地心旋转系下二维极坐标动力学模型。其次,根据自由返回轨道对称特性建立求解模型,选择近月点y轴速度为控制变量,并基于月球逃逸速度给出控制变量初值估计方法,提出了不同地心和月心运行方向的对称自由返回轨道搜索策略。最后,分析了4种类型对称自由返回轨道的轨道差异,并分析了不同近地点高度和近月点高度下自由返回轨道的轨道特性。仿真结果表明:文章提出的设计方法能快速准确地搜索出指定类型的对称自由返回轨道,同时其轨道特性分析结论可为后续载人月球探测任务和地月空间人员运输任务的自由返回轨道选择提供参考。     

考虑环月交会约束的地月转移轨道设计

面向载人登月任务需要,针对着陆器地月转移轨道及环月停泊轨道设计问题进行了研究。结合月面着陆点约束条件设计环月交会轨道,分析环月停泊轨道受月球高阶引力场摄动的影响,并得到轨道根数漂移量关于不同停泊时长、不同远月点高度等因素的变化情况。以上述结果作为地月转移段的约束条件优化设计星历模型下地月转移轨道,并结合轨道根数漂移规律设计环月停泊段轨道及后续机动,从而实现转移-停泊-交会一体化轨道优化设计。在此基础上遍历不同发射时刻,搜索地月转移轨道发射窗口。该方法能够实现长时间环月停泊的着陆器转移-停泊轨道设计且可以满足大范围窗口的搜索需求。仿真校验结果表明提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下着陆器地月转移及停泊轨道,为载人登月任务的轨道设计提供参考。     

星历模型地月系统平动点拟周期轨道设计研究

为改进使用圆形限制性三体模型设计轨道时缺乏摄动分析的不足,提高轨道设计的精度,对星历模型地月系统平动点拟周期轨道设计方法进行了研究。在不设置假设条件的前提下,考虑月球真实轨道及地球、月球和太阳的影响,在地心J2000惯性坐标系中建立平动点附近航天器高精度的星历模型。以圆形限制性三体中的周期轨道作为迭代初值,用星历表数据对轨道进行拼接获得所需的拟周期轨道;用多步打靶法替代单步微分修正进行迭代,对轨道上各节点进行校正以获得所求的拟周期轨道,给出了轨道设计步骤。仿真结果表明:所提方法可有效获得地月系统平动点附近拟周期轨道,提供满足真实动力学环境的轨道,有效节约轨道保持所需的燃料。该方法有较大的工程应用价值。     

基于圆型限制性三体模型的借力飞行机理研究

针对星际探测中的借力飞行技术,基于圆型限制性三体模型,深入研究了全相位角情况下借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。在圆型限制性三体问题的假设下,通过正向与逆向积分相结合的方法,给出了圆型限制性三体系统中,通过借力飞行实现逃逸与俘获以及顺行轨道与逆行轨道转变的条件,并以地月系统为例,给出了通过月球借力飞行实现地月系统俘获与逃逸的借力飞行参数选择区域。同时,也给出了通过月球借力飞行实现轨道类型转变的参数变化范围。最后,讨论分析了借力飞行高度、速度和借力相位角对借力飞行轨道能量变化量的影响,进一步揭示借力飞行自由参数与借力飞行轨道变化之间的关系。     

地-月低能耗转移轨道中途修正问题研究

采用地-月低能耗转移轨道的探测器从地球停泊轨道转移到极月轨道一般需要3~4个月时间,这类转移轨道对入轨精度有较高的要求。本文对地月转移轨道中途修正问题进行了研究。文中结合地-月低能耗转移轨道的特点,给出一种分段式多目标多次中途修正方案。利用显式制导结合牛顿迭代,分别以地球和月球作为中心天体求解兰伯特问题,在假设探测器各种轨道误差的基础上进行了蒙特卡罗仿真。采用该方法一般需要3~5次中途修正能够满足月球探测器环月轨道入轨精度要求,整个转移过程燃料消耗小于传统地月转移轨道。文中给出的仿真结果验证了该方案的可行性。     

软着月任务窗口与轨道设计方法研究

建立了一套应用于多约束条件下软着月任务的窗口计算以及轨道设计方法。针对经历发射 段、地月转移段、绕月段及动力下降段的月球探测器,综合考虑各个特征点的位置、光照、 测控等约束,结合轨道特性,采用着月点→近月点→入轨点→发射点倒推的方式,快速确 定探测器的发射窗口。在其中选择发射时刻后即可计算转移轨道的轨道根数初值,并搜索计 算精确轨道。该方法对于我国月球探测后期工程的发射窗口计算与轨道设计工作有较重要的 参考价值。
     

星际小推力转移任务发射机会的快速搜索方法

结合小推力与借力飞行技术可为星际探测任务提供更多行之有效的转移方案。现针对此类探测任务的发射机会搜索问题,基于Shape-Based理论,提出了一种新的快速搜索算法。该算法通过引入目标星体的状态约束,建立起初始飞行角与转移时间之间单调映射关系,从而实现了可行性轨道的快速解算;然后,综合考虑任务及轨道动力学约束条件,给出了搜索参数的合理搜索域。与传统搜索算法相比,该算法有效降低了搜索维数,减少了搜索空间,提高了计算效率。最后,以近地小行星1627Ivar为例,搜索了其在2010～2016年采用火星借力进行探测的发射机会,验证了本文方法的有效性。     

地月空间飞行轨道分层搜索设计

通过对地月间飞行轨道特征进行分析，根据不同的终端约束条件，提出了分层搜索的轨道设计方法。其基本思想首先是将月球视为质点，解决空间两质点的相遇问题，其次进一步视月球为球体，完成二体假设下的B平面瞄准，最后在前两步基础之上，根据具体目标条件约束得到精确的轨道。本文详细清晰地给出该方法的设计过程，很好地解决了地月空间轨道搜索的快速收敛性问题，对深空探测器轨道设计有借鉴意义。     

月球探测器转移轨道的中途修正

月球探测器的中途制导指的是在其转移轨道中途对轨道进行修正，使其按预定轨道飞行。本文研究的中途修正问题是确定所需的速度修正脉冲，使探测器不断接近标称轨道，并以预定状态到达月球，完成预定的飞行任务。本文首先建立中途修正的模型，其中月球和太阳的位置由DE405得到。然后，采用精确的数值积分方法找出满足预定条件(近地点高度、近月点高度及转移时间)的转移轨道。以该轨道作为标称轨道，分析中途修正所需要的速度修正脉冲与发射入轨时的初始误差(近地点速度误差、入轨高度误差、发射窗口误差等)和修正时刻的关系。最后分析两次中途修正的速度修正脉冲和修正时刻的关系，并得出适合的中途修正时刻。     

探月飞行的调相轨道

早期的探月飞行都采用直接由地球飞到月球的地月转移方式,探测器由运载火箭直接发送到地月转移轨道,这样做的好处是飞行时间比较短,只需3至5天的时间。20世纪90年代开始的新一轮探月活动中采用了一种新的飞行方式,探测器飞离地球前,先在绕地球飞行的调相轨道上运行若干圈,这样做的好处有三：一是可以在运载火箭能力不够的情况下,由探测器来补充;二是可以减小转移轨道中途修正的负担;三是可以扩大发射机会窗口。文章以嫦娥一号探测器及美、日的两个月球探测器为例,详细讨论了这种新的飞行方式,同时还对我国后续探月计划的飞行轨道提出了初步建议。     

地-月系平动点及Halo轨道的应用研究

地-月系统的平动点L1点及L2点的Halo轨道在探月工程中有重要的应用价值，可分别用于地月连续通信覆盖和月球背面的探测。由于在地-月系统中太阳的引力不可忽略，特别是在长时间作用以后，其动力学行为与摄动力较小的日-地系统有明显的不同。本文分析了如何利用太阳引力进入地-月系统的L1点及L2点的Halo轨道、以及由Halo轨道进入近月轨道的问题，两者综合起来构成了一条完整的地月低能转移轨道。研究结果对探月轨道设计有一定的参考价值。     

嫦娥五号探测器多圈调相地月转移应急轨道设计与分析

针对嫦娥五号任务上升段末期火箭二级发动机可能出现的提前关机故障造成入轨半长轴偏差较大和中途修正速度增量超限问题,提出了多圈调相地月转移轨道应急控制策略.首先,分析了不同入轨半长轴偏差、中途修正时刻与中途修正速度增量消耗之间的关系;其次,针对半长轴偏差较大问题,基于微分改正算法与B平面参数,设计了解析窗口搜索与多圈调相地...     

星历模型下地月自由返回全飞行过程轨道设计

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解,给出了变平面机动的计算方法。进一步提出了两轮逐次优化修正策略,分别以高度和再入走廊为主要约束,采用内点法和SQP算法在高精度星历模型下对自由返回轨道初值进行逐次优化修正。之后,采用SQP算法在星历模型下对近月三脉冲变轨进行优化修正,得到了星历模型下的自由返回+近月三脉冲变轨地月转移策略。仿真校验结果表明本文提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道,为载人登月任务的转移轨道设计提供参考。     

嫦娥五号平动点拓展任务轨道方案研究

中国嫦娥五号探测器成功实现月球采样返回任务,为最大限度利用任务资源,研究了利用嫦娥五号轨道器的平动点拓展任务轨道方案,设计了平动点轨道及其转移轨道.首先,给出了任务轨道设计的轨道动力学模型,包括圆型限制性三体问题模型和精确力模型.其次,基于嫦娥二号和嫦娥5T1平动点拓展任务设计经验,介绍了平动点轨道直接转移与入轨等轨道...     

Lunar transportation scenarios utilising the Space Elevator

The Space Elevator (SE) concept has begun to receive an increasing amount of attention within the space community over the past couple of years and is no longer widely dismissed as pure science fiction. In light of the renewed interest in a, possibly sustained, human presence on the Moon and the fact that transportation and logistics form the bottleneck of many conceivable lunar missions, it is interesting to investigate what role the SE could eventually play in implementing an efficient Earth to Moon transportation system. The elevator allows vehicles to ascend from Earth and be injected into a trans-lunar trajectory without the use of chemical thrusters, thus eliminating gravity loss, aerodynamic loss and the need of high thrust multistage launch systems. Such a system therefore promises substantial savings of propellant and structural mass and could greatly increase the efficiency of Earth to Moon transportation. This paper analyzes different elevator-based trans-lunar transportation scenarios and characterizes them in terms of a number of benchmark figures. The transportation scenarios include direct elevator-launched trans-lunar trajectories, elevator launched trajectories via L1 and L2, as well as launch from an Earth-based elevator and subsequent rendezvous with lunar elevators placed either on the near or on the far side of the Moon. The benchmark figures by which the different transfer options are characterized and evaluated include release radius (RR), required delta v, transfer times as well as other factors such as accessibility of different lunar latitudes, frequency of launch opportunities and mission complexity. The performances of the different lunar transfer options are compared with each other as well as with the performance of conventional mission concepts, represented by Apollo.     

地月平动点拟周期轨道探测器自主导航方法研究

地月L2点的拟周期轨道可以用于实现与月球背面的持续通信,具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。针对地月L2点探测器所处的弱稳定拟周期轨道,论证了基于日地月信息的自主导航方法的可行性,并进行了深入分析。首先,推导了会合坐标系下带有星历的精确导航动力学方程;其次,针对弱稳定轨道不同于近地强稳定轨道的特性,在基于日地月方位信息导航的基础上,提出了三种敏感器组合方案。使用迭代最小二乘方法给出导航仿真结果,并结合非线性可辨识性理论对这三种情况下历元状态的可辨识性及可辨识度进行分析。最后,仿真结果表明,使用日地月敏感器以及对地多普勒雷达可以满足历元状态的可辨识性、导航的收敛性以及系统经济性的要求。     

载人月球极地探测地月转移轨道设计

针对载人月球极地探测任务,采用一种自由返回轨道与三脉冲机动轨道相结合的地月转移轨道方案。关于自由返回轨道部分的设计,建立了基于近月点伪参数的两段拼接模型,采用一种考虑地球扁率修正的改进多圆锥截线法进行求解,仿真结果显示改进的多圆锥截线法具有更高的求解精度,可为精确设计提供更好的初值;关于三脉冲机动轨道部分的设计,基于混合轨道模型,采用特殊点变轨和Lambert算法相结合的方法进行计算,仿真结果显示该方法能够有效地降低速度增量的消耗。最后,通过大量的仿真计算,对轨道的速度增量特性进行了分析。研究结论可为未来载人月球极地探测地月转移轨道方案的设计提供重要参考。     

Manifold dynamics in the Earth–Moon system via isomorphic mapping with application to spacecraft end-of-life strategies

Recently, manifold dynamics has assumed an increasing relevance for analysis and design of low-energy missions, both in the Earth–Moon system and in alternative multibody environments. With regard to lunar missions, exterior and interior transfers, based on the transit through the regions where the collinear libration points L₁ and L₂ are located, have been studied for a long time and some space missions have already taken advantage of the results of these studies. This paper is focused on the definition and use of a special isomorphic mapping for low-energy mission analysis. A convenient set of cylindrical coordinates is employed to describe the spacecraft dynamics (i.e. position and velocity), in the context of the circular restricted three-body problem, used to model the spacecraft motion in the Earth–Moon system. This isomorphic mapping of trajectories allows the identification and intuitive representation of periodic orbits and of the related invariant manifolds, which correspond to tubes that emanate from the curve associated with the periodic orbit. Heteroclinic connections, i.e. the trajectories that belong to both the stable and the unstable manifolds of two distinct periodic orbits, can be easily detected by means of this representation. This paper illustrates the use of isomorphic mapping for finding (a) periodic orbits, (b) heteroclinic connections between trajectories emanating from two Lyapunov orbits, the first at L₁, and the second at L₂, and (c) heteroclinic connections between trajectories emanating from the Lyapunov orbit at L₁ and from a particular unstable lunar orbit. Heteroclinic trajectories are asymptotic trajectories that travels at zero-propellant cost. In practical situations, a modest delta-v budget is required to perform transfers along the manifolds. This circumstance implies the possibility of performing complex missions, by combining different types of trajectory arcs belonging to the manifolds. This work studies also the possible application of manifold dynamics to defining suitable, convenient end-of-life strategies for spacecraft orbiting the Earth. Seven distinct options are identified, and lead to placing the spacecraft into the final disposal orbit, which is either (a) a lunar capture orbit, (b) a lunar impact trajectory, (c) a stable lunar periodic orbit, or (d) an outer orbit, never approaching the Earth or the Moon. Two remarkable properties that relate the velocity variations with the spacecraft energy are employed for the purpose of identifying the optimal locations, magnitudes, and directions of the velocity impulses needed to perform the seven transfer trajectories. The overall performance of each end-of-life strategy is evaluated in terms of time of flight and propellant budget.