月球探测器轨道设计新方法研究_朱仁璋.pdf

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第8卷第1期航天器工程8NVloo.
19993
28SPACECRAFTENGNEERNG年月II

月球探测器轨道设计新方法研究

朱仁璋俞南嘉
(北京航空航天大学,北京200083)
李颐黎
(中国空间技术研究院)

摘要利用太阳引力摄动与月球绕飞设计地月转移轨道,是月球探测器轨道设

。,、,
计的一种新方法与霍曼转移相比这种新型轨道飞行时间较长(约三四个月)但

,。
显著节省速度增量(可达150m/S)对月球探刚器工程具有诱人的实际应用价值对
应用引力捕获设计地月转移轨道新方法,本文比较全面地论述了研究目标、研究内
容、研究方法与步骤,并从大量算例中给出若干典型轨迹予以辅证。
关键词月球探侧器,轨道设计,地月转移轨道,引力捕获,四体问题。

1序言

,
对月球火箭与月球探测器运动理论的研究在本世纪后半叶得到迅速发展美国在1969年

。
发射的阿波罗n号登月舱实现了人类登月的愿望由于月球资源以及月球作为一个天然空
间站在星际航行中的重要性,目前国际上又掀起了月球探测的新高潮,提出各种“重返月球”计
划。不久前,有迹象表明,在月球上存在冰水,更增加了人们对月球的兴趣。将引力捕获机制
引人地月转移轨道设计之中,研究轨道设计新理论与新方法已成为航天动力学的一个热
点〔`一4〕。
引力捕获是一个在天文学和航天领域中极受关注的现象。引力捕获的优势在于轨道能量
的获得不需要航天器能源就能够实现,即航天器的变轨可以不携带或少携带能源。一些天文
学家认为引力捕获现象能够解释小行星和彗星的运动,航天学家则将引力捕获用于星际航行
任务的设计中。在航天动力学中,引力捕获的概念一般是这样的:当一个航天器从很远处以双
曲线轨道进人某天体的引力影响球时,轨道能量将有变化,航天器将显著偏离原来的运动轨
迹,甚至暂时环绕这个天体运转。在太阳系行星际飞行中,引力捕获的应用已广为人知。近年
来,航天学家又致力于在月球飞行使命中应用引力捕获方法。在过去几十年中,对引力捕获的
研究主要集中在三体问题的永久捕获的可能性上,偏重于理论方面。然而,几年来,情况发生
了很大的变化,研究重点转向将引力捕获应用于月球探测器轨道的工程设计中。特别是,随着

,。
日本HITEN飞行使命引力捕获的偶然成功在国际航天界引起巨大的反响
引力捕获地月转移轨道虽然增长了地月转移飞行时间,但可显著减少航天器动力消耗,增
加有效载荷的重量,对无人月球探测器特别适合。国际航天界普遍认为,引力捕获机制在月球

收稿日期:1998一11一23
期1朱仁璋等月球探测器轨道设计新方法研究:

探测器轨道设计中有实际应用价值。

研究目标与内容2

月球探测器新方法的研究目标是,探求应用太阳引力摄动与月球绕飞,以较少的速度增量
(动力消耗)设计地月转移轨道的规律与方法。
研究内容包括下列各项:
(1)由简到繁的各类动力学数学模型;

、
(2)多种数学计算方法的研究比较与选取;
(3)太阳引力摄动与月球绕飞对飞行轨迹与速度增量需求的影响;
(4)误差分析与途中修正(控制)设计方法;
(5)初始参数与发射窗口的选择;
(6)引力捕获地月转移轨道优化设计研究;
(7)考虑多种约束条件的引力捕获地月转移轨道工程设计方法;

。
(8)工程设计软件制作
研究的重点是,在探明引力捕获机制的基础上,将引力捕获地月转移轨道的设计形成一
个系统的、有规律可循的、便捷的、工程化方法。

3研究方法与步骤

一般采用的研究方法是,从限制性三体问题(地、月、探测器)和限制性四体问题(地、月、
日、探测器)开始,向非共面的一般四体问题扩展,进而考虑其它摄动(如地月非牛顿引力摄动、

、。’’.”,
太阳光压大气阻力等)由于白道面与黄道面的夹角较小(5〔)74741)月球轨道的偏心率

.
,,。
不大(005488)因此在限制性四体问题中讨论引力捕获是一个很好的近似由限制性四体
问题向一般四体问题的转化应考虑非共面性,月球轨道非圆性,以及发射时间的非唯一性。
这项研究可以分以下几个步骤进行:
(1)分别应用限制性三体问题与限制性四体问题研究月球绕飞与太阳引力捕获及其综合
影响;
(2)在限制性四体问题的基础上,将动力学模型修正为不共面的一般情况,但将地球、月球
与太阳考虑为质点;
(3)考虑所有摄动因素(包括非牛顿引力场、地球大气阻力、太阳辐射压力等)建模,并作模
拟计算;

,,
(4)进行引力捕获地月转移轨道误差分析包括恩克方法与科维尔方法比较不同数值积
分方法比较(阶数,定步长与变步长等);
(5)研究引力捕获轨道途中修正方法;
(6)地月转移轨道经典方法与引力捕获方法比较;
(7)根据月球探测器工程总体要求与约束条件,选择与设计引力捕获地月转移轨道初值与
发射窗口。
jU航天器工程

4参考坐标