绕月自由返回轨道的设计与分析

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1、V01．19No．2128航天器工程SPACECRAFTENGINEERING第19卷第2期2010年3月绕月自由返回轨道的设计与分析张磊1于登云2张熵1(1北京空间飞行器总体设计部，北京100094)(2中国航天科技集团公司，北京100048)摘要绕月自由返回轨道用于早期载人登月任务及相关试验任务，对保证任务成功起了重要作用。作为可选的轨道飞行方案之一，其对当前及未来的月球探测任务设计仍具有重要的工程意义。文章阐述了给定约束条件下绕月自由返回轨道的设计方法，并基于该方法分析了绕月自由返回轨道的相关特性，为任务设计和分析提供了基础。关键

2、词月球探测轨道设计绕月自由返回中图分类号：V476．3文献标志码：A文章编号：1673—8748(2010)02—0128—08DesignandAnalysisofCircumlunarFree—ReturnOrbitsZHANGLeilYUDengyun2ZHANGHel(1BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering，Beijing100094，China)(2ChinaAerospaceScienceandTechnologyCorporation，Beijing100048，Chi

3、na)Abstract：Circumlunarfree-returnorbitswereappliedtoearlymannedlunar—landingandotherre—latedtestingmissions，andplayanimportantroleinensuringmissionsuccess．Asoneoftheoptionalorbitalflightschemes，thecircumlunarfree-returnorbitstillhasimportantengineeringsignificance．Inthi

4、spaper，thedesignmethodforcircumlunarfree-returnorbitsisdescribed，andthepropertyanalysisisgiverLTheresearchresultsprovidethebasisforthemissiondesignandanalysis．Keywords：lunarexploration；orbitdesign；circumlunarfree—return1引言从各国月球探测实践看，月球探测任务包括飞越、撞击、绕月、环月、软着陆、采样返回等。轨道设计服务于探

5、测任务，除地一月转移轨道[15]和月一地转移轨道外[6]，还有一类特殊的转移轨道，称为绕月自由返回轨道。探测器自地球附近出发，在月球引力作用下从月球近旁经过，之后重新回到地球。理想情况下，除置入轨道的燃耗外不需要额外消耗能量，故称之为自由返回。绕月自由返回轨道曾被应用在苏联的Zond一5、6探测器任务和美国的Apollo一8、10、ll、12、13、14飞船任务中，其中，Zond-5、6执行了完整的绕月自由返回飞行，Apollo一8、10、11在奔月飞行中采用了绕月自由返回轨道，Apollo一12、13、14在奔月飞行中采用了混合自由返

6、回轨道(hybridfreereturntrajecto-ry)，即飞船首先被置入到自由返回轨道，飞行一段时间后，通过轨道机动再将飞船置入到非自由返回轨道。不难看出，绕月自由返回轨道是保障早期载人月球探测任务安全与成功的重要手段之一。因此，研究和掌握绕月自由返回轨道设计方法及其特性对我国开展相关领域研究具有重要的现实意义。文献[7]采用基于全局状态转移矩阵的数值迭收稿日期：2010-02—05；修回日期：2010—03—12基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：张磊(1981一)，男，在读博士研究生，研究方向为轨道设计。第2期张磊等：

7、绕月自由返回轨道的设计与分析129代方法对绕月自由返回轨道的一些特性进行了探讨，具有重要的参考意义。本文则进一步研究满足地球大气再入约束的绕月自由返回轨道的快速设计及初值修正方法，并通过大量计算研究其相关特性。快速设计方法借鉴行星际借力飞行轨道的设计思想，基于地一月双二体模型，通过匹配月球影响球入口点能量和出口点能量，将地心段奔月轨道、月心段双曲线轨道、地心段返叫轨道拼接为完整的绕月自由返间轨道。对初步设计的结果，采用微分校正法，分别以椭圆轨道B平面参数和终端参数作为目标变量进行两级修正。2坐标系与数学模型2．1坐标系本文采用的坐标系如

8、下：1)地心惯性坐标系S。，(OeX，Y，Z，)。原点0e位于地心，0eX。yi平面位于地球赤道面，oeX；轴指向春分点，0eZ，轴指向地球北极。2)地心白道惯性坐标系S—i(QX。。iy。。；Z。。。)。