载人登月轨道月面可达区域分析.pdf

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1、第２０卷第４期载人航天Ｖｏｌ．２０Ｎｏ．４２０１４年７月ＭａｎｎｅｄＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＪｕｌ．２０１４载人登月轨道月面可达区域分析１２１１贺波勇，彭祺擘，沈红新，李海阳（１．国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙４１００７３；２．中国航天员科研训练中心，北京１０００９４）摘要：全月面到达是２１世纪以来载人登月研究的主要目标之一。影响月面可达区域的因素有很多，而阳光入射角约束和转移轨道约束是主要因素。首先分析了不同纬度区域阳光入射角规律，其次建立了一种适于月面可达区域分析的双二体圆锥曲线拼接算法，分析了自由返回轨道和混合轨道月面可达区域，

2、并计算了变轨策略及其速度增量关系，为未来实现载人登月月面着陆区选择提供参考。关键词：载人登月；月面可达区域；自由返回轨道；混合轨道中图分类号：Ｖ４１２文献标识码：Ａ文章编号：１６７４-５８２５（２０１４）０４-０２９０-０６ReachableRegionAnalysisofOrbitsforMannedLunarLandingMission１２１１ＨＥＢｏｙｏｎｇ，ＰＥＮＧＱｉｂｏ，ＳＨＥＮＨｏｎｇｘｉｎ，ＬＩＨａｉｙａｎｇ（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔ

3、ｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＡｓｔｒｏｎａｕｔＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＴｒａｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）ｓｔAbstract：Ｌｕｎａｒｇｌｏｂａｌａｃｃｅｓｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｇｏａｌｓｏｆｍａｎｎｅｄｌｕｎａｒｌａｎｄｉｎｇｍｉｓｓｉｏｎｉｎｔｈｅ２１ｃｅｎｔｕｒｙ．Ｔｈｅｓｕｎｓｈｉｎｅｉｎｃｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅａｎｄｔｒａｎｓｌｕｎａｒｏｒｂｉｔｓａｒｅｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｔｈｅｌｕ-ｎａｒ

4、ｒｅａｃｈａｂｌｅｒｅｇｉｏｎ，ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｏｔｈｅｒｓ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｓｕｎｓｈｉｎｅｉｎｃｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅｏｆｄｉｆ-ｆｅｒｅｎｔｌａｔｉｔｕｄｅｒｅｇｉｏｎｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎａｄｏｕｂｌｅｔｗｏ-ｂｏｄｙｃｏｎｉｃｍｏｄｅｌｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｌｕｎａｒｃａｐａｂｌｅｒｅｇｉｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｒｅａｃｈａｂｌｅｒｅｇｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒｅｅ-ｒｅｔｕｒｎｏｒｂｉｔａｎｄｈｙｂｒｉｄｏｒｂｉｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉ

5、ｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｒｂｉｔａｌｍａｎｅｕｖｅｒｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｓｐｅｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｓｅｒｖｅａｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｍａｎｎｅｄｌｕｎａｒｌａｎｄｉｎｇｒｅｇｉｏｎｓｅｌｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Keywords：ｍａｎｎｅｄｌｕｎａｒｌａｎｄｉｎｇ；ｒｅａｃｈａｂｌｅｒｅｇｉｏｎｏｆｌｕｎａｒｓｕｒｆａｃｅ；ｆｒｅｅ-ｒｅｔｕｒｎｏｒｂｉｔ；ｈｙｂｒｉｄｏｒｂｉｔ［３］热潮。１引言［４］郑爱武和周建平从任务总体设计角度对月球是地球唯一的天然卫星

6、，载人登月是人载人登月轨道设计方法及其约束条件做了综述；［１］［５］类登陆地外天体的第一步，具有重大意义。全Ｘｉ等研究了载人登月任务中止轨道问题；贺波［６］月面到达和月面任意时刻返回是ＮＡＳＡ（Ｎａｔｉｏｎａｌ勇等研究了载人登月转移轨道偏差传播机理［７］ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＳｐａｃｅＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）２００４年提出与稳健性设计问题；Ｐｅｎｇ等研究了载人登月自的“ＣｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍ”的口号，是区别于“Ａ-由返回轨道优化设计方法及特性，涉及到自由返［２］［８］ｐｏｌｌｏ”工程的主要目标。虽然该计划于２０１

7、０年回轨道月面可达区域有限问题；Ｌｉ等研究了多被终止，但却带来了载人登月和全月面到达研究段自由返回轨道问题，提出了一种改善自由返回收稿日期：２０１３-０８-０２；修回日期：２０１４-０６-１２基金项目：国家自然科学基金（１１３７２３４５）；国家重点基础研究发展计划（２０１３ＣＢ７３３１００）资助．作者简介：贺波勇（１９８９-），男，博士研究生，研究方向为载人登月任务分析与轨道设计。Ｅ-ｍａｉｌ：ｈｅｂｏｙｏｎｇ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ第４期贺波勇，等．载人登月轨道月面可达区域分析２９１轨道月心倾角限制的有效方法；然而ＮＡＳＡ等工程单位出于安全性和工

8、程实践性考虑，更倾向于采用三脉冲变轨模式实现地月转移轨道近月段月［９］球捕获，如图１所示。图1三脉冲变轨模式月球捕获示意图图2月面中央湾、虹湾和北极区域2025～2