载人登月着陆器奔月窗口搜索方法.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252017V01．38No．4SSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaeduCRhkxb@buaa．edu．C13载人登月着陆器奔月窗口搜索方法贺波勇，李海阳。国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073摘要：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

2、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。关键词：载人登月；着陆器(LM)；环月交会

3、；奔月窗口；逐级搜索中图分类号：V412．4+1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)04—320574—09月球是地球唯一的天然卫星，是人类探索地球以远的必经之路。美国2009年6月18日发射的“月球侦查轨道器(LunarReconnaissanceOr—biter，LRO)／月坑观测与探测卫星(LunarCRaterObservationandSensingSatellite，LCROSS)”，及其随行的半人马座火箭上面级，成功对月球南极进行了两次撞击，发现水冰存在的证据’1置，引发了生命科学、天体物理

4、等领域科学家关注，又一次将载人月球探测升温¨一。受重型火箭运载能力约束及现代载人航天高可靠性要求，采用人货分离奔月及环月轨道交会的载人登月飞行模式[钳随着中国交会对接技术成熟应运而生[I]。该飞行模式中，载人飞船通常采用地月转移约3d的自由返回轨道或混合轨道，而着陆器不受航天员生保系统时间约束，一般采用地月转移能量较低的5d飞行轨道，要求近地单脉冲共面加速出发，近月点单脉冲共面制动，之后只进行近月点高度维持，等待环月共面交会。郑爱武和周建平[6。71概述了载人登月自由返回轨道、混合轨道及任务中止应急返回轨道的一般设计思路及

5、约束条件，并基于Lambert算法快速设计月地转移轨道窗口，得到相关窗口与最小再人角基本关系。周文艳和杨维廉[8]在“嫦娥工程”中研究了月球探测器地月转移轨道设计方法。Peng和Shen等[9。1叩将双二体假设模型解作为高精度动力学模型迭代求解初值，采用粒子群优化(ParticleSwarmOptimization，PSO)算法和Multi—Start收敛算法，分别求解了绕月自由返回轨道特性和定点返回轨道特性。Li等[1妇采用双二体假设仿真求解了月地转移窗口及轨道参数特性。贺波勇等[121采用改进微分校正方法快速求解地月转

6、移轨道，但未给出结合工程实际约束的收稿日期：2016—06—30；退修日期：2016．08．17；录用日期：2016．09．26；网络出版时间：2016．10—0910：07网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20161009．1007008．html基金项目：国家自然科学基金(11372345，11402295)：国家“973”计划(201308733100)通讯作者．E-mail：lihaiyang@nudt．edu．cn现用撂武t贺波勇，李海阳i载人登月着陆器奔恿窗口搜索方

7、法!J]航空学报．2017．38(4)：320574HE8Y．LIHYiLunarmoduletrans—lunarwindowsearchingapproachformannedlunarmission[J了ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2017．38(4)：320574320574—1航空学报窗VI求解方法。张洪礼和罗钦钦等口争141尝试采用无迹卡尔曼滤波(UnscentedKalmanFilter，UKF)参数估计的三体Lambert算法求解地月引力辅助变轨问题，虽然已有技术

8、突破，但离工程使用尚有一定距离。综上所述，目前关于月球探测器奔月任务的研究局限于两个方向：一是单纯的轨道设计方法研究；二是单纯的基于双二体假设的月窗口区间求解方法研究。缺少结合具体复杂任务(如载人登月)约束条件的地月转移零窗口与精确轨道耦合设计方法。本文主要研究环月轨道共面交会的载人登月任务中，着陆器奔