地月系统循环轨道初步设计与特性分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul252015V01．36No．72197．2206ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn地月系统循环轨道初步设计与特性分析张文博，成跃，王宁飞*北京理工大学宇航学院，北京100081摘要：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

2、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。关键词：循环轨道；地月系统；圆型限制性三体问题；周期轨道；数值方法中图分类号：V412．4+l；P135文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)07—2197—10自美国“阿波罗”载人登月计划成功实施以来，载人登月轨道设计被广泛研究，例如

3、：自由返回轨道[1。3]、混合轨道[21以及多段自由返回轨道[4]，但这些轨道不能满足长期多次任务的需求。1985年阿波罗11号登月任务宇航员Aldrin提出了循环轨道的概念[5]，这是一类连续往返于星体间不做停留的轨道。一般而言，循环轨道方案需要两种飞行器[6]，一种是运行在循环轨道上的转移飞行器，另一种是实现星体表面与转移轨道间人员和物资交换的飞行器。由于转移飞行器的重复使用大大削减了人轨燃料，所以循环轨道方案适用于长期持续的大规模星际探测、资源开发、载人工程任务，被认为是一种较为经济的任务

4、方案。地月系统中，循环轨道是地月限制性三体问题下往返于地月间的一类周期轨道。Parker[71和VaqueroE8]等先后研究了地月系统的共振轨道，航天器与月球的共振关系为导航提供了便利，然而Parker研究的是不稳定的共振轨道，Vaquero给出的共振轨道近月距较远，因此两者设计的轨道均不能应用于循环轨道方案。Poincar6[93提出的第二类周期轨道能够满足循环轨道的任务需求，这类轨道一直是限制性三体问题下周期轨道的研究热点。构造第二类周期轨道比较经典的方法有：圆锥曲线拼接法[10]、正则化

5、分析法【11I、渐进近似匹配法[12-163。Broucke[10]基于圆锥曲线拼接法的初值猜测利用数值方法全局搜索了地月系统的周期轨道，然而只能从中挑选出几条适合循环轨道方案的特例轨道，无法系统分析其特性。Barrab6s和G6mez[171通过渐进近似匹配法得到了共振轨道的初值解析表达式。Casoliva等n8]在他们的工作基础上全局搜索了地月系统的共振循环轨道，但这种方法计算效率较低，并且只找到了一条满足工程约束以及共振关系的循环轨道。本文考虑载人工程的任务约束，利用圆锥曲线拼接法在圆型限

6、制性三体问题(CR3BP)模型下构建了地月系统的5类平面周期轨道，并分析收稿日期：2014一08—01；退修日期：2014一08·29；录用日期：2014—12—16；网络出版时间：2014·12—2414：20网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／S1000-68932014．0349．htmI*通讯作者．Tel：010-68918107E-mail：wangningfei@bitedu．crl}

7、用格武

8、ZhangWB．ChengY。WangNFPreliminary

9、designandcharacteristicanalysisofcyclerorbltsinEarth-MoonsystemEJJActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015，36(7)：2197-22067张文薄，成跃．I宁飞．地月系统循环轨道初步设计与特性分析!J]．航空学报．2015。36(7)：2197-2206．航空学报了其轨道特性。1动力学模型目前循环轨道设计的研究大多集中在地球和火星之间的轨道[1争22

10、，地火间的循环轨道的建模通常需要考虑太阳

11、、地球、火星对航天器的引力作用。四体问题较为复杂，不利于轨道设计与计算，所以初步设计一般采用圆锥曲线拼接法，将轨道分为星际转移段和行星借力段进行研究。与地火间循环轨道建模不同，地月循环轨道的尺度没有超出地球的影响球，初步设计可以忽略太阳引力的作用，简化为限制性三体问题模型。考虑太阳引力的作用以及月球轨道偏心率等摄动的影响，此模型也很容易通过微分修正的方法转化到更精确的模型[18

12、。因此CR3BP模型是研究地月循环轨道的有效简化模型。1．1圆型限制性三体问题模型采用CR3BP模型对地月系统的平面循