[發明專利]一種月球采樣返回任務中的定點著陸軌道設計方法

在審

• 申請號: 202110545890.4
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113311854A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 汪中生;孟占峰;高珊;彭兢
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

本發明公開了一種月球采樣返回任務中的定點著陸軌道設計方法，該方法包括：結合月球采樣返回任務地月轉移段近月點傾角優化，通過在近月制動機動中引入軌道面法向速度增量分量來瞄準預定月面落點經度，通過環月降軌變軌緯度幅角和軌道面內速度增量分量來瞄準預定月面落點緯度和動力下降開始點高度，并使得月面落點在預定月面上升時刻位于目標軌道面內；另外，通過引入環月降軌速度增量法向分量來修正落點經度和調整動力下降時刻來消除縱向航程誤差。本發明解決了現有定點著陸技術中沒有考慮軌道設計對后續月球軌道交會對接的影響，導致較大的月球軌道交會對接軌道面修正速度增量的問題。

技術領域

本發明涉及航天技術領域，尤其涉及一種月球采樣返回任務中的定點著陸軌道設計方法。

背景技術

在月球采樣返回任務或載人登月任務中，都可能涉及探測器從環月軌道開始下降，通過變軌機動進入月面動力下降彈道，并在預定月面落點實現軟著陸。月面定點著陸軌道設計是我國實現月球采樣返回和載人登月必須突破的一項關鍵軌道設計技術。

月球采樣返回任務軌道全飛行過程包括運載發射、地月轉移、近月制動、環月飛行、月面動力下降、月面工作、月面動力上升、交會對接、月地轉移、再入回收等飛行階段。參考圖1和圖2所示，探測器在完成地月轉移和近月制動后，最初在一個圓形軌道上飛行，稍后軌道器和著陸器上升器組合體實現分離。著陸器上升器組合體以下簡稱著上組合體。著上組合體在軌道上運行幾圈后，在一個合適的緯度幅角實施切向變軌機動，進入近月點高度約為15km的橢圓軌道。著上組合體將在該橢圓軌道上運行幾圈，當著上組合體到達動力下降開始點并取得預定的高度15km，開始沿動力下降軌跡實現在月球表面著陸。這里動力下降開始點為近月點。

國內外諸多學者已對月面定點著陸軌道設計方法進行了深入的研究，包括通過落月圈次的調整以及環月軌道面的調整等方法來實現對預定落點經度的瞄準，還包括通過環月降軌平面內速度增量和變軌位置來瞄準預定月面落點緯度和動力下降點高度。其中，環月軌道面的調整可以通過調整升交點赤經和修正軌道傾角來實現。

在實際工程應用特別是在月球采樣返回任務工程設計中，遇到定點著陸理論研究沒有回答的新問題。在采樣返回任務中，著上組合體落月后在一定工作時間內，例如在1～2天內進行采樣工作，然后上升器必須在預定月面上升時間起飛，使得其入軌后的環月軌道面與軌道器的軌道面基本一致，以減小后續二者實現月球軌道交會對接所需的平面修正速度增量。為實現這一目標，需要在地月轉移段對近月點的目標環月軌道傾角進行調整優化，使得月面起飛時上升器位于軌道器軌道面內。但傾角的調整涉及軌道面的變化，會影響月面落點位置。另一方面，現有定點著陸技術沒有考慮傾角優化的影響，不能保證月面上升時月面落點位于軌道器軌道面內，所以可能導致較大的月球軌道交會對接軌道面修正速度增量。而且，現有方法沒有考慮兩次經度瞄準，僅采用環月降軌一次控制來瞄準預定落點經度，不能實現大的落點經度調整。所以，采樣返回任務中實現月面定點著陸時不能簡單套用現有技術，其中如何保證月面起飛時上升器位于軌道器軌道面內是一大難題。

發明內容

本發明的技術解決問題是：針對月球采樣返回任務中要求月面起飛時上升器位于軌道器軌道面內導致的環月軌道傾角調整對月面落點的影響，對環月軌道傾角優化和月面定點著陸變軌方法進行聯合設計，從而同時滿足月面定點著落和月面共面起飛的設計要求，并盡量減少實際飛行中誤差因素對月面落點散布的影響，保障月球采樣返回任務目標的順利完成。

第一方面，本申請實施例提供的一種月球采樣返回任務中的定點著陸軌道設計方法，該方法包括：

步驟1.在每一地月轉移中途修正中，采用變軌速度增量三分量瞄準預定近月點傾角、近月點高度和真近點角，其中，所述真近點角的取值為0度；