[发明专利]一种月地三脉冲返回轨道速度增量分析方法有效

专利信息
申请号: 201910938088.4 申请日: 2019-09-30
公开(公告)号: CN110704952B 公开(公告)日: 2022-09-09
发明(设计)人: 李海阳;陆林;刘将辉;周晚萌;杨路易;何湘粤;卞琨;赵剑 申请(专利权)人: 中国人民解放军国防科技大学
主分类号: G06F30/15 分类号: G06F30/15
代理公司: 长沙正奇专利事务所有限责任公司 43113 代理人: 马强;李美丽
地址: 410073 湖南*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 一种 脉冲 返回 轨道 速度 增量 分析 方法
【说明书】:

发明公开了一种月地三脉冲返回轨道速度增量分析方法,包括步骤:A,以月心为原点,获得环月轨道面法向单位矢量h1,月球逃逸轨道面法向单位矢量h2,施加三次脉冲的位置rA、rB、rC;B,获得以月球逃逸轨道瞄准v∞out为轴线的圆锥面S1,其半锥角为η;C,以v∞out和h1所在的平面为基准面,设定rC绕v∞out所在直线旋转的角度σ,确定rC和月球逃逸轨道面;D,获得以rC所在直线为轴线的圆锥面S2,其半锥角为α;E,获得h1与v∞out的夹角β,环月轨道与月球逃逸轨道的异面差ξ;F,求得三次脉冲大小Δv1、Δv2、Δv3;G,求得总速度增量Δv;步骤H,改变影响Δv大小的自变量,获得Δv的变化规律。本发明利用空间几何关系,能够快速有效、直观简洁地对三脉冲机动过程所需的速度增量进行初步近似分析。

技术领域

本发明属于月地返回轨道特性解析分析领域,特别涉及一种月地三脉冲返回轨道速度增量分析方法。

背景技术

月球是人类探测太空奥秘的首选目标,也是人类为扩大生存空间进入深空最合适的中转站,所以人类也在不断努力探索各种登陆月球的方式。随着嫦娥四号任务的圆满成功,越来越多的人憧憬中国载人登月梦想能够尽早实现。

21世纪初,美国公布的“星座”计划中具体阐述了全月面到达和任意时刻返回的任务目标,全月面到达便要求探测任务具备对月球高纬地区开展月面活动的能力,而任意时刻返回则是为了保障航天员的安全。

载人登月任意时刻返回方式主要有两种类型:第一种是航天器不通过轨道机动,沿着原飞行轨道自由返回地球,这种方式只适用于地月转移阶段,而关于自由返回轨道的研究也已经比较成熟。第二种是航天器通过轨道机动返回地球,这种方式适用载人登月各个阶段。

在环月飞行阶段,由于出发轨道面的指向可能并不理想,载人登月任务若要在任意时刻做到安全返回,必须通过轨道机动实现。航天器在环月飞行过程中,一旦发生故障需要应急返回时,往往需要施加额外的速度来调整轨道面以进入返回窗口。调整轨道面通常有两种方案,分别是单脉冲变轨和三脉冲变轨。

如图1所示为月地三脉冲返回轨道示意图。月地三脉冲返回轨道机动方案具体过程如下:首先,在环月轨道施加第一次切向脉冲Δv1,进入大椭圆过渡轨道,施加脉冲处的点A同时也是大椭圆过渡轨道的近月点。然后,在大椭圆过渡轨道上的某点(点B)施加第二次脉冲Δv2,调整轨道面角度,点B的位置由环月轨道面和月球逃逸轨道面的交线确定,且点B为离大椭圆过渡轨道远月点较近的交点。最后,在大椭圆过渡轨道的近月点(点C)的切线方向施加第三次脉冲Δv3,进入月球逃逸轨道返回地球。

在轨道面角度调整过大时,与单脉冲变轨相比,三脉冲变轨可以有效减少轨道机动所需的速度增量,适应性更强,因此一般作为环月飞行段任意时刻返回的轨道机动方案。

关于月地返回轨道的设计与分析方法,通常采用以下几类动力学模型:圆锥曲线拼接模型、多圆锥截线法、限制性三体模型和高精度模型。

在后续的载人登月工程中,尤其关注燃料消耗的问题,由于速度增量直接反映航天器的燃料消耗,所以有必要对轨道方案中的速度增量特性进行计算分析。

但是,在对月地三脉冲返回轨道速度增量进行初步分析时,采用上述现有技术中的动力学模型进行求解,虽然精度较高,但由于需要考虑一些摄动项(如地球中心引力、日月引力摄动、地球和月球非球形引力摄动、太阳光压摄动等),因而求解过程比较复杂,轨道积分计算的速度慢,导致计算用时较长,并不适合作为一种速度增量初步分析的工具。

发明内容

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