中秋节载人登月任务窗口与转移轨道设计研究

提出了中秋节载人登月概念,论述了中秋节载人登月的意义和价值,对中秋节载人登月任务窗口与转移轨道设计进行了研究。忽略木星等大行星摄动力、地球潮汐摄动力、地球扁率的间接摄动和相对论效应等微小量,建立了轨道动力学模型,给出了任务工程约束。考虑登月时刻在农历八月十五日20:00左右,给出了全任务窗口规划的策略,对转移轨道模型及优化进行设计,以近月点坐标系参数为优化设计变量,分别对地月自由返回和月地定点返回两种轨道进行了优化设计。给出了2017年中秋载人登月的算例,验证了精确星历模型下全任务窗口规划策略和转移轨道设计策略的有效性。给出了2017~2036年间中秋节载人登月的窗口轨道参数等。研究可为我国未来载人登月任务目标制定及工程实施提供参考。     

载人登月绕月自由返回轨道混合-分层优化设计

针对载人登月绕月自由返回飞行任务,提出一种混合-分层轨道优化设计方法。将高精度模型下强约束自由返回轨道设计问题转化为有约束非线性规划求解问题,在此基础上提出一种混合-分层优化求解策略。在双二体模型下利用差分进化算法(DE)与序列二次规划(SQP)相结合的混合优化算法快速求解了满足弱约束条件下的轨道初值问题。采用序列二次规划(SQP)构造两层迭代格式,在高精度模型和强目标约束下对初步设计轨道进行逐层修正。最后,通过仿真测试,文章所述方法的可行性与有效性得到了验证。仿真飞行结果还进一步表明该设计方法具有求解精度高、收敛速度快等优点,为探月工程任务提供了一种有效的轨道设计工具。     

载人登月绕月自由返回轨道与窗口精确快速设计

针对载人登月任务背景及工程约束,提出一种轨道与窗口一体化设计方法。通过两次坐标转化,将自由返回轨道设计参数解耦为近月点独立变量。在双二体假设下,通过4段二体轨道拼接完成自由返回轨道初值快速搜索及匹配近地停泊轨道(LEO)面的月窗口,其结果作为下一步采用序列二次规划（SQP）迭代求解高精度动力学模型轨道参数的初值,在该条精确轨道近月点时刻90 min邻域内产生可以匹配LEO地月转移入轨相位的零窗口轨道。算例表明,该流程能够精确快速地完成具有复杂任务背景及苛刻工程要求的载人登月绕月自由返回轨道与窗口设计问题。     

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...     

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。     

基于双二体假设的载人登月自由返回轨道特性分析及设计

载人登月轨道设计是载人登月任务的基础。首先分析自由返回轨道在载人登月轨道设计中 的基础性作用;然后,给出双二体假设下自由返回轨道的计算模型;在此基础上,对自由返 回轨道的飞行时间、轨道倾角、近月距和轨道拼接点分布等参数进行特性分析。最后,给出 基于双二体假设的轨道初步设计流程和设计实例,仿真结果验证了本文提出方法的有效性。
     

基于多圆锥曲线法的着陆器奔月轨道设计与特性分析

针对载人登月任务中人货分运飞行模式,精确快速设计了着陆器(LM)的奔月轨道,分析了轨道窗口特性。以着陆器的奔月出发时刻、纬度幅角和加速脉冲为设计变量,基于多圆锥曲线法动力学模型,利用序列二次规划（SQP）优化算法对奔月轨道快速求解。在地心白道系下提出了近月点伪经度判别准则,该方法可为轨道设计参数初值提供正确参考。最后以伪倾角为窗口特性分析参数,发现了近月点窗口、近地点出发位置的变化规律。仿真结果表明,本文提出的伪经度搜索方法能够快速求解着陆器地月转移轨道,同时揭示了环月到达轨道(LLO)与近地出发轨道(LEO)之间的内在联系,研究结论可为未来载人登月工程提供借鉴。     

探测器月地转移入射变轨策略优化设计

在探测器月球采样返回任务中,从环绕月球的轨道返回地球的转移入射考虑采用一次变轨或两次变轨的方案。其中,月地转移入射一次变轨方案要求采用大推力变轨发动机,难以实现高精度轨道控制。为此,文章提出将月地转移入射一次变轨机动改为分两次执行,两次间隔大约1天的优化策略。首先讨论了月地转移入射一次变轨的基本设计方法,然后给出了月地转移入射两次变轨方案的优化设计算法流程,并采用数值算例进行了说明。此外,还对月地转移入射三脉冲变轨方案和低能月地转移轨道展开了讨论,并在多方案比较分析的基础上,推荐了月球采样返回任务采用的月地转移入射变轨策略。     

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。     

定时定点月面着陆全程轨道控制设计

针对定时定点月面着陆的目标要求,提出了全程轨道控制设计方法。进行了包括地月转移、近月制动、环月降轨和动力下降的全程轨道控制的分段设计和联合规划,实现在入轨轨道偏差条件下的定时定点月面着陆。分别构建了中途修正、近月制动、环月降轨三段轨道控制的规划变量和目标参数;根据轨道倾角建立了动力下降点与着陆点的匹配转换关系。设计了中途修正、近月制动、环月降轨、动力下降的全程轨道控制策略的联合规划。建立了着陆位置偏差与轨道倾角偏差、着陆时间偏差与轨道半长轴偏差的修正关系,修正设计了中途修正目标倾角和近月制动目标半长轴。仿真算例表明,在入轨偏差轨道条件下,保证了中途修正后的飞行轨道与标称轨道基本一致,实现了与标称状态基本一致的定时定点月面着陆。可应用于月球着陆、月球采样返回以及载人登月等实施月面定时定点着陆任务的轨道设计和控制实施。     

自由返回轨道的P平面参数快速设计方法

针对自由返回轨道求解过程中地心轨道类型变化造成的B平面参数方法计算失败问题,提出一种基于P平面参数的自由返回轨道快速设计方法。首先,基于轨道半通径参数的普适性,给出了不同轨道类型的P平面参数定义,建立了以P平面参数为求解目标量的自由返回轨道求解模型。其次,给出了基于P平面参数的自由返回轨道快速设计方法,在构建的瞬时地月惯性系下,以平面双二体自由返回轨道作为初值,实现了高精度力模型下的自由返回轨道快速求解。对8种构型自由返回轨道的设计结果表明,P平面参数具有类似于B平面参数的大收敛域,且有效解决了轨道类型变化对计算的影响,可直接应用于中国后续月球探测任务轨道设计。     

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...     

Opportunity options for rendezvous,flyby and sample return mission to different spectral-type asteroids for the 2015–2025

The feasible rendezvous, flyby and sample return mission scenario to different spectral-type asteroids for the 2015–2025 are investigated. The emphasis is put on the potential target selection and the design of preliminary interplanetary transfer trajectory in this paper. First, according to different scientific motivations, some potential targets with different spectral-type and physical property are selected. Then, some optimal rendezvous and sample return opportunities for different spectral-type asteroids are presented by using pork-chop plots method and Sequential Quadratic-Programming (SQP) algorithm. In order to reduce the launch energy and total velocity increments for sample return mission, the Earth swingby strategy is used. In addition, the feasible trajectory profiles of flyby and rendezvous with two different spectral-type asteroids in one mission are discussed. A hybrid optimization method combing the Differential Evolution (DE) algorithm and SQP algorithm is introduced as a trajectory design method for the mission. Finally, some important parameters of transfer trajectory are analyzed, which would have a direct impact on the design of spacecraft subsystem, such as communication, power and thermal control subsystem.     

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索因需考虑日、地、月引力的影响而使问题变得复杂。针对该多体系统的发射机会搜索问题,提出了一种分层渐近的搜索方法。该方法首先通过分析地月系质心与小行星的几何关系,搜索从地月系质心到小行星的发射机会,进而以地月运动为研究对象,推导出了从月球轨道切向逃逸机会的判别条件,并基于此判别条件及等高线图法对逃逸机会进行了搜索。同时,为提高所得发射机会在多体模型下的轨道修正收敛性,给出了基于月心逃逸轨道参数为终端约束的日-地与日-地-月动力学模型的轨道渐近修正方法。最后,以近地小行星(3908)Nyx和(190491)2000 FJ20为例,搜索其从月球逃逸的发射机会,仿真计算表明了该方法的有效性。     

地月低能转移轨道设计方法研究

研究地月低能转移轨道的设计方法。这种低能转移轨道利用了弱稳定边界理论，通过太阳的引力摄动，使得探测器能够不经过减速就被月球俘获。与经典的霍曼转移相比，低能转移轨道呵节省约140m／s的速度脉冲。由于设计是基于叫体问题模型进行的，问题具有很强的非线性特性，寻找满足约束条件的转移轨道变得非常困难。常用的两点边值问题的解法在这里都失效。本文在研究地月低能转移轨道特忡的基础上，对一般地月转移轨道搜索的变步长爬山法进行改进，用来设计地月低能转移轨道。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于地月信息的奔月探测器自主光学导航

基于地月信息提出了一种奔月转移轨道的自主光学导航算法。该算法首先利用导航相机得到的地球和月球边缘图像与地、月几何形状模型，运用扩展源的空间获取算法导出地心和月心对应的像素，然后利用地心和月心像素、探测器的惯性姿态和该观测历元的地、月星历信息，通过基于UD分解的递推加权最小二乘算法确定了探测器轨道。还引入导航系统的可观度定义来分析了导航系统的可观性，数学仿真结果表明导航的位置误差小于30km，速度误差小于0．3m／s，证明该自主光学导航算法是有效的。     

Optimal ballistically captured Earth–Moon transfers

The optimality of a low-energy Earth–Moon transfer terminating in ballistic capture is examined for the first time using primer vector theory. An optimal control problem is formed with the following free variables: the location, time, and magnitude of the transfer insertion burn, and the transfer time. A constraint is placed on the initial state of the spacecraft to bind it to a given initial orbit around a first body, and on the final state of the spacecraft to limit its Keplerian energy with respect to a second body. Optimal transfers in the system are shown to meet certain conditions placed on the primer vector and its time derivative. A two point boundary value problem containing these necessary conditions is created for use in targeting optimal transfers. The two point boundary value problem is then applied to the ballistic lunar capture problem, and an optimal trajectory is shown. Additionally, the problem is then modified to fix the time of transfer, allowing for optimal multi-impulse transfers. The tradeoff between transfer time and fuel cost is shown for Earth–Moon ballistic lunar capture transfers.