载人登月定点返回轨道设计方法取得新进展

对从月球返回的航天器来说，任务设计者希望它能够在预定着陆区着陆，以便回收资源最小化和快速搜救航天员。以往的研究大多通过精度较低的圆锥曲线拼接法快速设计以获得该类轨道参数一些整体规律；或精确设计单个轨道，关注一些参数变化规律。然而怎样快速精确求解该类轨道工程任务设计所需参数整体特征，为载人登月任务轨道方案的制定提供指导规律是科学家一直研究的问题。串行优化精确设计策略的提出是解决该问题的理想途径之一。

由国防科学技术大学航天与材料工程学院李海阳教授担任通讯作者撰写的《载人登月定点返回轨道设计与特性分析》一文解答了这个问题，该文发表在《中国科学 技术科学》2012年第9期上。他们将圆锥曲线拼接法和数值积分精确算法有效结合起来，提出一种从初步设计到精确设计的串行优化精确设计策略，有效的解决了这一问题，并对定点返回轨道参数特性做出了分析。

经大量实例测试，该求解方法非常有效。首先利用圆锥曲线拼接方法，解析得到满足定点返回轨道约束条件的初步轨道参数，包括月球轨道出发时刻，出发位置以及出发速度增量和返回轨道参数。以初步设计参数为初值，进一步利用高精度模型对其修正，则可得到较为精确的定点返回轨道参数。通过仿真可知，以双二体模型计算结果作为初值可以很容易使高精度轨道计算过程收敛，且两模型计算得到的结果相差不大。

这一研究的创新之处在于分析了现有的用于初步设计的数学模型的缺陷，建立了适应于此问题的新的数学模型，并将现代优化算法理论应用到载人登月定点返回轨道设计中去，提出了一种从初步设计到高精度设计的串行优化设计策略，计算表明利用该方法求解得到的定点返回轨道参数，可以很好的满足载人登月任务的各类约束条件，且具有收敛速度快，计算精度较高的特点。在此基础上，文中对定点返回轨道的月心轨道参数、地心轨道参数、转移速度和时间等轨道特性做出了分析，所得到一些重要结论可以为载人登月轨道方案的制定提供有价值参考。该项目得到了中国载人航天工程办公室载人登月概念研究项目(批准号: 0004)和航天飞行动力学技术重点实验室开放基金(批准号: 2012afdl00)资助。

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