月面远程运输飞行轨迹优化设计

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1、第21卷第1期2015年1月载人航天MannedSpaceflightV01．21No．1Jan．2015月面远程运输飞行轨迹优化设计朱小龙1，一，马剑1一，刘强1，高扬1(1．中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094；2．中国科学院大学，北京100049)摘要：针对月球表面不同区域之间的载人或载货运输问题，设计了一种基于上升一巡航．下降模式的燃料最省飞行轨迹。首先通过求解不同飞行时间的Lambert问题确定了最佳飞行时间，并获得了对应的双脉冲解，然后利用有限推力替代两次速度脉冲，建立了非线性规划问题，求解得到了有限推力燃料最省飞行轨迹。优化设计过程中主要研

2、究了两个主要难点：bang．bang控制与飞行高度约束。这两个问题通过推力加速度与飞行时间的数值延拓得以解决，同时揭示了月面飞行的基本原理。最后给出了3种不同应用场景的仿真算例，仿真结果表明，当飞行时间为小时量级时，上升一巡航．下降飞行模式下的优化解即为燃料最优解，如果飞行距离较远，则还需要适"-3增加飞行时间从而满足飞行高度约束。关键词：月面飞行；轨迹优化；燃料最省；Lambert问题；bang—bang控制；数值延拓中图分类号：V412．4文献标识码：A文章编号：1674-5825(2015)01-0075-08OptimizationDesignofLong·R

3、angeTransportFlightTrajectoriesonLunarSurfaceZHUXiaolon91”，MAJianl’。，LIUQian91，GAOYan91(1．TechnologyandEngineeringCenterforSpaceUtilization，ChineseAcademyofSciences，Beijing100094，China；2．UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)Abstract：Theminimum—fuelflighttrajectorybas

4、edontheascending-coasting-descendingmodewasdesignedtosolvethecreworcargotransportationbetweendifferentareasonlunarsurface．First，theoptimalflighttimeandthecorrespondingtwo—impulsesolutionwereobtainedbysolvingaseriesofLambertproblems．Subsequently，theminimum-fueltrajectorieswithfinitethrus

5、twereoptimizedviareplacingthevelocityimpulseswithfinitethrustingarcs．Duringtheprocessofoptimization，twomainchallengeswereaddressed，namelybang—bangcontrolandtheconstraintsoftheflightheight，whichweresolvedbynumericalcontinuationontheaccelerationamplitudeandtheflighttime．Threenumericalexam

6、pleswerefinallypresented，whoseresultsindicatedthatthesolutionoptimizedbasedontheascending·-coasting--descendingmodewasalsotheminimum--fuelsolutionwhentheflighttimewasafewhours；ifthedistancewasrelativelyfar，theflighttimeshouldbeincreasedtosatisfytheconstraintsoftheflightheight．Keywords：f

7、lightonlunarsul'faee；trajectoryoptimization；minimum—fuel；Lambertproblem；bang—bangcontrol：numericalcontinuation1引言月面远程运输是指月球表面不同区域之间以飞行方式实现载人或载货运输。月面远程运输的需求是多方面的，比如，未来探月通过一次登月即可抵达多个月面区域，即首次着陆后再起飞前往其它区域；若月球基地已建立，航天员可从月球基地起飞前往百、千公里之外的月面区域开展探测收稿日期：2014．11．19；修回13期：2015431434基金项目：载人