[發明專利]高精度地月自由返回軌道設計方法

有效

• 申請號: 201610413976.0
• 申請日: 2016-06-14
• 公開（公告）號: CN107506505B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 彭坤;楊雷;孫國江;果琳麗;王平;田林
• 申請（專利權）人: 北京空間技術研制試驗中心
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種高精度地月自由返回軌道設計方法，包括：設置自由返回軌道在變軌前的近地停泊軌道的軌道參數，選取出可變的控制量；使航天器的速度增量和地月飛行時間固定，調整近地停泊軌道的升交點赤經和近地點幅角；進行地月轉移段的軌道仿真，第一次綜合調整速度增量、軌道傾角、升交點赤經和近地點幅角；進行地月和月地轉移段的軌道仿真，第二次綜合調整速度增量、軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角和地月/月地轉移段的飛行時間；進行地月和月地轉移段的軌道仿真，獲得精確的自由返回軌道參數。因此，通過合理設計自由返回軌道搜索流程，逐步確定自由返回軌道的初始軌道參數，使設計人員可直接進行自由返回軌道的精確軌道設計。

技術領域

本發明涉及高精度地月自由返回軌道設計方法，更具體地，涉及載人登月航天器地月轉移過程中進行自由返回軌道設計方案。

背景技術

繞月自由返回軌道是指航天器到達近月點后不實施變軌機動，而經過月球借力飛行后能自動返回地球的特殊地月轉移軌道。在載人登月任務中，從保證航天員安全性的角度上考慮，一般將地月轉移軌道設計為自由返回軌道。當載人登月航天器在地月轉移過程中某一系統(例如，推進系統)發生故障，可以放棄登月任務，不做任何調整而直接返回地球，極大地保證了航天員的安全性。阿波羅13(Apollo13)飛船的安全返回是自由返回軌道最直接的驗證，該飛船在發生推進艙2號氧貯箱爆炸、飛船供氧和供電困難的情況下，利用自由返回軌道良好的安全性成功返回地球。因此，自由返回軌道設計對于載人登月任務至關重要，是其任務安全性的重要保障。

自由返回軌道設計主要涉及近月點約束和再入點約束，近月點約束包括近月點高度和軌道傾角；再入點約束包括再入點高度和再入角。對于載人登月任務，為節省燃料消耗，地月轉移時間一般約為3天，故自由返回軌道還增加了飛行時間約束，地月轉移和月地轉移時間均為3天左右。同時，自由返回軌道涉及地球和月球兩個中心天體，因此在軌道設計過程中需要分段設計。目前國內常用的自由返回軌道設計方法為基于雙二體模型推導出初始條件與目標約束的解析關系，通過不斷調整初始軌道參數得到滿足約束條件的自由返回軌道。這種方法的不足是由于忽略了其它攝動力，導致其獲得的自由返回簡化軌道與自由返回精確軌道之間存在一定誤差，需要進行進一步的精確軌道設計，步驟比較繁瑣。而若直接進行自由返回軌道的精確軌道設計，則會由于給定的初始條件與初始軌道參數正確解之間誤差較大而增加搜索時間，甚至出現發散現象。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種適用于載人登月任務的自由返回精確軌道設計方案，通過合理設計自由返回軌道搜索流程，逐步確定自由返回軌道的初始軌道參數，使設計人員利用微分修正法就可直接進行自由返回軌道的精確軌道設計。

本發明提供了一種高精度地月自由返回軌道設計方法，用于通過設計自由返回軌道搜索流程以及確定軌道參數，進行航天器在地月轉移過程中的自由返回軌道的精確軌道設計，包括以下步驟：步驟一，設置自由返回軌道在變軌前的近地停泊軌道的軌道參數，從而選取出關于地月轉移段軌道的可變的控制量；步驟二，使航天器進行地月轉移加速的速度增量和地月轉移段的飛行時間固定，調整近地停泊軌道的升交點赤經和近地點幅角；步驟三，進行地月轉移段的軌道仿真，第一次綜合調整速度增量、近地停泊軌道的軌道傾角、升交點赤經和近地點幅角；步驟四，進行地月轉移段的軌道仿真和月地轉移段的軌道仿真，第二次綜合調整速度增量、近地停泊軌道的軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角和地月/月地轉移段的飛行時間；以及步驟五，進行地月轉移段的軌道仿真和月地轉移段的軌道仿真，獲得精確的自由返回軌道參數。

在本發明中，近地停泊軌道的軌道參數至少包括：軌道高度、軌道傾角、升交點赤經、和近地點幅角，以及自由返回軌道的地月轉移段軌道是通過近地停泊軌道進行地月轉移加速變軌形成的。