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。     

基于人工免疫算法的载人登月任务地月转移双脉冲中止策略研究彭 坤,果琳丽,向开恒,王 平,杨 雷

载人登月任务中,任务中止策略设计是确保航天员安全返回的重要基础。首先结合"星座"计划飞行方案分析了载人登月任务各飞行阶段的中止策略;其次针对地月转移巡航段进行了双脉冲中止策略设计,以速度增量数值、方位角以及变轨时间间隔为控制变量,加入轨道同向、近地点高度、偏心率以及飞行时间约束,提出双脉冲变轨计算流程;最后采用人工免疫算法对该问题进行了求解和优化。仿真算例表明,双脉冲中止策略存在多组解,其全局分布特性为:飞行时间越短速度增量需求越大;飞行时间相近时,大偏心率中止轨道对应的速度增量小;故障点离地月加速点越近,所需速度增量越小。同时也验证了人工免疫算法求解双脉冲中止策略问题的有效性。     

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。     

载人登月轨道月面可达区域分析

全月面到达是21世纪以来载人登月研究的主要目标之一。影响月面可达区域的因素有很多,而阳光入射角约束和转移轨道约束是主要因素。首先分析了不同纬度区域阳光入射角规律,其次建立了一种适于月面可达区域分析的双二体圆锥曲线拼接算法,分析了自由返回轨道和混合轨道月面可达区域,并计算了变轨策略及其速度增量关系,为未来实现载人登月月面着陆区选择提供参考。     

考虑相对几何约束的载人月面上升交会轨道研究

针对载人月面上升交会任务对任务快速性和自主性的高要求,基于共椭圆交会方案,将提升任务自主能力的相对测量条件和航天员的操控特点量化为着陆器与目标飞行器的相对几何约束,设计了载人月面上升交会轨道的参数。首先建立了载人月面上升交会飞行过程的时间、相位和速度增量解析模型,然后提出了相对几何约束模型,最后分析了入轨相位差随Lambert转移轨道半长轴单调递增的规律,提出了通过确定边界值来快速求解可行域的方法。仿真验证了方法的有效性,计算分析了任务周期、速度增量、相对距离在可行域内的取值情况,结果表明当目标环月轨道高度取300 km时,过渡轨道不应低于220 km,相对测量范围至少750 km。     

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。     

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。     

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。     

载人月球软着陆任务紧急中止轨道分析与设计

针对载人月球软着陆进程中,由载人飞船发动机失效引起的任务中止问题,首先分析主发动机失效可能引起的撞月轨道、环绕轨道、逃逸轨道等轨道类型及其特点;然后分析了中止任务执行的前提条件及中止过程的导航制导要求,在此基础上,考虑二体模型,提出普适的共面软着陆中止轨道计算方法;最后,在考虑登月飞船生保系统时间限制条件下,给出下降级主发动机失效情况下,撞月轨道的中止仿真算例。仿真结果表明,该方法可以实现登月飞船软着陆制动故障情形下的任务中止,能够确保飞船安全返回环月轨道。     

环月快速交会调相策略设计与任务分析

针对未来载人登月任务中登月前环月轨道交会对接与组装问题,基于我国现有近地两天交会对接飞行方案,设计了环月轨道一天快速降轨交会任务的调相变轨方案,采用四脉冲修正特殊点变轨算法进行求解。分析了快速交会的调相终端控制精度、最优初始相位角范围等任务特性参数,给出了满足调相段终端控制精度所需要的定轨精度,分析了环月轨道倾角、调相段终端瞄准相对状态和调相时间对最优初始相位角范围和变轨总速度增量的影响规律。仿真结果表明,实施环月快速交会任务,要求追踪器与目标器的定轨精度均较高,但追踪器的最优初始相位角范围较大。     

基于SIM仿真平台的载人登月软着陆任务研究

为确保环月空间站各项探月任务的协调开展,依据载人登月总体论证任务的特点,研制了具有分布式仿真特性的全数字载人登月任务仿真平台(SIM)。针对月面着陆问题,在SIM仿真平台上,以软着陆3自由度动力学模型作为飞行任务仿真单元,变网格Radau伪谱法作为任务规划单元的核心算法,同时考察着陆过程中的推力、过载以及应急条件等多种约束,对月面着陆器与上升飞行器组合体进行了载人登月软着陆任务仿真分析,结果验证了SIM仿真平台的可扩展性,同时验证了基于变网格Radau伪谱法规划法的有效性。     

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。     

载人登月的航天医学工程问题

载人登月与近地轨道载人飞行相比,将会遇到许多新的医学、心理学、工效学、登月服技术等医学工程问题。研究和解决这些问题是航天医学工程发展的重要任务。结合美、俄载人登月和月球居留的研究情况,重点分析载人登月与月面舱外活动中人的工作能力、压力制度选择、乘组组成、航天员选拔训练、航天员医监医保、心理健康维护、营养食品保障、环境医学和工效学、登月服技术等医学工程问题及解决思路,提出下一步研究的方向和重点。     

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。     

月地低能返回轨道最优控制策略研究

为解决月球货运飞船采用的低能返回轨道对初值极为敏感的问题,研究了月地低能返回轨道的最优控制策略。首先基于椭圆四体动力学模型,分析了月地低能返回轨道的动力学特性;进而引入协方差分析法分析了轨道初始飞行状态的误差传播特性,确定了保证终端再入点高度约束要求的飞行器入轨点位置、速度以及入轨时刻控制精度需求;根据轨道对不同时期施加控制的敏感性不同,设计了一种三脉冲轨道控制策略,以实现既精确控制落点约束,又节约控制燃料消耗的目的。从仿真结果可知,该策略可有效控制月地低能返回轨道终端再入点精度,降低初始敏感度。该控制方案用于月地转移可显著降低对推进控制系统的精度需求,提高转移方案的工程可实现性。     

载人月球探测轨道设计的挑战与技术发展趋势

轨道设计是载人月球探测工程中的一个重要问题,直接影响工程实施的效果、甚至成败。本文概述了载人月球探测工程中涉及的飞行轨道,指出了轨道设计所面临的三方面挑战,即飞行轨道方案、轨道设计效率、任务全局最优化的挑战;简要介绍了国内外载人月球探测轨道设计的研究进展;提出了当前载人月球探测轨道设计需要重点突破的几个关键技术问题,包括一体化轨道设计与优化、应急任务轨道设计、地月空间任务高鲁棒性轨道设计、月球轨道空间站的轨道设计和地月空间轨道通用设计软件等问题。     

航空航天计划中的技术继承与创新—苏联登月计划失败的教训

60年代美国和苏联都制定了雄伟的登月计划。与美国大张旗鼓的宣传不同,苏联的登月计划一直处在高度保密状态。从各种资料分析,苏联的登月计划分两个步骤,一是载人环月飞行,一是载人登月。可能由于竞争意识,后来改为直接登月。结果,美国成功地将12名宇航员送到了月球上,而苏联的登月计划因运载火箭多次发射     

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。     

三体模型下二维平面地月转移轨道设计与特性分析

为提高地月转移轨道搜索速度和提供精确的初值猜测,在三体模型下研究了双脉冲地月转移轨道的快速设计方法及其轨道特性。首先基于三体模型建立了地心旋转系下地月转移轨道系统模型,选择物理意义明显的地月转移加速速度增量和地心旋转系对准角作为控制变量;其次在二体模型假设下给出控制变量的初值估计方法,提出了不同运行方向地月转移轨道的搜索策略,并采用序列二次规划算法对4种类型地月转移轨道进行求解,分析其控制变量差异;最后分析了转移时间、近地点高度和近月点高度对地月转移轨道的影响,以及月球引力对二体模型下初值估计的修正量。仿真结果表明,本文提出的设计方法能快速准确地搜索出指定类型的地月转移轨道,同时其轨道特性分析结论可为后续月球探测任务地月转移轨道选择提供依据。     

新一代多用途载人飞船概念研究

在"神舟"载人飞船进入成熟稳定期后,中国有必要尽早启动新一代多用途载人飞船的论证和研制。本文对国外新一代载人飞船的技术方案特点、新的设计理念及发展现状进行了分析,从适应多任务、降低运营成本、钝头体气动外形、更高安全可靠性以及新型轻质材料使用等多个方面总结了国外新一代载人飞船的技术发展趋势。初步分析了中国发展新一代载人飞船的近地轨道、载人登月、载人登小行星、载人登火星等任务需求,基本确定了新一代飞船的总体性能参数,并在此基础上梳理了新一代载人飞船技术途径,初步提出了两种方案设想,为中国新一代载人飞船的研制提供参考。