面向载人月球探测的三体周期轨道应用方案分析

为适应未来地月空间飞行器顶层轨道选择与窗口、测控等总体方案论证,对NRHO轨道、L2平动点Halo轨道、DRO轨道等不同三体周期轨道在载人月球探测中的应用进行研究分析,从地月空间转移任务速度增量与飞行时间需求、测控通信、月面可达性、登月窗口、深空拓展任务可行性等方面定量综合评估三体周期轨道的优劣性,对比确定三体周期轨道在载人月球探测不同任务中的适用性。结果表明：3种类型轨道支持登月任务的主要差异在于任务可行性与月球探测区域的选择。研究结果对未来登月飞行器近月空间部署以及轨道方案分析具有一定的参考意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

利用重复使用地月转移级往返近地轨道空间站的载人月球探测飞行模式

为提高中国月球探测的安全性和效费比,提出了一种利用重复使用地月转移级往返近地轨道空间站进行载人月球探测的任务模式,分析了任务往返的轨道和窗口,通过多方案对比分析给出2种构型重复使用地月转移级方案建议,估算对比了重复使用地月转移级效益,得出对于长期多次载人月球探测任务,采用重复使用地月转移级方案将具有更低的任务成本.     

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。     

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。     

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。     

载人登月任务人-机系统安全性分析及对策研究

载人登月任务中,航天员、航天器以及内外部环境构成了典型的人-机系统。运用安全性分析方法,以载人登月任务为对象,基于"事件树+故障树"方法构建安全性分析模型,对导致载人登月任务失败的潜在原因进行分析,并从载人登月任务的人、机、环境等方面提出相应的安全性控制对策措施,提出的安全性建模和影响因素分析方法,可为我国载人登月任务安全性建模和分析提供借鉴。     

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。     

新一代载人月面着陆器发展趋势研究

月面着陆器是实现载人探月任务的重要组成部分,从任务规划和着陆器参数两个方面对早期美国阿波罗计划中的月面着陆器（ LM）、苏联N1-L3登月计划中的月面着陆器（ L3登月系统）以及最近美国星座计划中的月面着陆器（ Altair）的相关情况进行了分析,并从任务需求、月面环境和研究经费及基础设施方面对LM与Altair月面着陆器进行详细比较,通过比较分析总结出新一代载人月面着陆器将沿着提高乘员运送能力、扩大到达范围、延长航天员生活时间及功能模块化的方向发展,并提出研制新一代月面着陆器应着重解决着陆器推进、结构、着陆障碍检测及缓冲以及月尘防护等关键技术。     

人机共融机器人的月面驻留服务及应用展望

针对我国载人登月工程目标和任务需求,综述了人机共融机器人技术的研究进展,分析月面驻留活动中人机共融机器人的任务、能力需求和关键技术。在此基础上制定了共融机器人系统在我国首次载人登月中的任务目标和能力需求,提出首次载人登月中"人机共融"作业系统的工作模式。为共融机器人在我国后续无人、载人月球探测以及月面驻留服务的应用提供借鉴和参考。