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1、第2 4卷第5期2 00 4年9月空间科 学学报CHIN E SEJO U R N ALO FSP AC ES C IEN CEoVl.24,No.5SePt.,20 04月球探测器转移轨道的特性分析周 文艳杨维廉(中国空间技术研究院总体部北京1 00 08 6)摘要主要分析了月球探测器 由近地点出发,在假定末端条件不变的情况下,其转移轨道的特性参数对初始条件和变轨所需的速度脉冲等的影响;考虑的特性参数的变化包括转移轨道倾角的变化,近地点高度的变化和转移时间的不同.关键词转移轨道;近地点高度;转移时间;轨道倾角;速度脉冲1引言我国的月球探测卫星工程已经正式启动.对我国来说这是一个新的航天使命,
2、与以前的卫星工程项目有很大的不同.根据目前的设计,卫星的轨道飞行程序是:先由我国比较成熟可靠的运载火箭长征3号甲将卫星送入地球超同步转移轨道,然后由卫星的轨道控制系统在近地点进行两次大的轨道机动逐步增大远地点的高度,在完成了这个调相轨道段以后在近地点再作一次轨道机动,使卫星进入飞向月球的地月转移轨道段,在这个轨道段飞行5天后卫星达到离月球的最近点(近月点),这时的卫星运行在近似的双曲线轨道上,在近月点必须作一次大 的减速轨道机动,使其变为绕月的椭圆,否则卫星将飞离月球.然后再作两次大的减速机动使其变为最终的高度20 0km的圆形使命轨道.在这个复杂的轨道飞行过程中最重要的是地月转移轨道段,因为
3、要同时考虑地球、月球、太阳对卫星的引力,对我国的航天界这是一个新的问题.地月转移轨道的选择和设计除了有一定的理论难度外更主要的是要考虑工程大系统的各种因素的要求和制约,因此有必要对转移轨道的特性参数进行分析,选择工程适用的特性参数值.转移轨道的选择在很大程度上考虑它的能量需求,即近地点的速度要求以及在近月点的减速机动的需求,考虑对地面测控的适应程度等等.本文分析计算了转移轨道近地点高度、转移轨道飞行时间和 轨道倾角变化引起的总的速度增量需求的变化,同时也分析了不 同的飞行时间对地面测控系统的影响,在此基础上提出了对转移轨道选择的一些结论性看法.2月球探测器转移轨道的精确计算方法本文采用 的精确
4、计算方法是基于参考文献【l得到的,用地心惯性坐标系,计算过程中考虑了地球几项引力摄动与文献【l中不同的是始终采,月球和太阳作为质点对探测2004一0 2一0 6收到原稿,2 0 0今0 7一0 9收到修定稿5期周文艳等:月球探测器转移轨道的特性分析355器的影响;日月位置由D E45 0得到 z J.用到的坐标系有地心惯性坐标系、月心平移惯性坐标系和月心赤道坐标系.图1探测器、月球和太阳在地心惯性坐标系中的位置Fig.1Positionofspaeee r af t,moonandsunintheearthe en te rinertialsystemO,M,S和尸分别代表地球、月球、太阳和探
5、测器,它们在地心惯性坐标系中的关系如图1所示.月球、太阳和探测器相对于地心的矢径分别为,m、,。和仁二md和八d分别表示探测器到月球和太阳 的矢径.3特性分析假设探测器于200 4年8月2 7日0 2 500 0进入地月转移轨道,末端条件为近月点高度20 0 km,月球轨道为极月轨道.&1轨道倾角的影响对于地球卫星,轨道倾角是个很重要的轨道参数,它的影响面很广.在选择地月转移轨道倾角时,我们所关心的重要问题是总能量(即总的速度)的需求与轨道倾角选择的关系,因此针对近地点高度20 0km,转移时 间12 0h,轨道倾角乞由o 0一180 0变化,解出满足末端条件的转移轨道,近地点速度v p和轨道
6、倾角乞的关系如图2所示.结果显示,轨道倾角从o 0一180 0变化引起近地点速度的变化约 为0.00 00 4 3km/s,可见,轨道倾角对近地点速度的影响很小,因此对近地点加速脉冲的影响可以忽略不计.探测器到达近月点时,还需要对探测器施加一个制动的减速脉冲d:m,使其变为2 0 0km高的月球卫星.月球附近的制动脉冲和轨道倾角的关系如图3所示.轨道倾角从o 0一1 50 0变化,近月点制动脉冲的变化约 为0.1 5km/5.我们所关心的能量问题就是近地点和近月点的两个脉冲速度增量的总和.由于近地点的速度增量与倾角基本上无关,近月点速度脉冲就决定了这个总的速度增量.于是由图3可以看出,轨道倾角
7、在30 0左右总的速度脉冲最小.本文算例所计算的最小近月点制动脉冲对应的轨道倾角为26 0.由此可以得到以下结论:轨道倾角对近月点的速度影响比较大,转移轨道倾角在约3 0“时,所需要的速度脉冲比较小.356空间科学学报24卷10.917 95010 91 7 9 4 010.9179301 0.9 179 20皇。.9。已名。,6工!甲日巴 nd1 0.9 1791010.9 1 7 9 0 0L01201 600408。乞/(o)1 2 0160/(o)图2近地点速度随轨道倾角的变化Fig.2V eloeityv aryofperige ewithorb itinelination图3近月点
8、速度脉冲随轨道倾角的变化Fig3V eloeityimpuls ev aryofpe ri lu newithorbitinelina tion.32转移时间的影响转移轨道飞行时间是轨道设计中很重要的一项,它的选择需要顾及系统的方方面面,其中主要的决定因素是速度的需求以及是否对转移轨道的测控有利.针对我国测控站网的布局,我们希望在卫星达到近月点附近时能得到充分的测控支持,即希望有尽可能多的测控站能观测到尽可能长的弧段.为此首先要保证探测器在达到近月点时处于月球的正面.计算结果表明,转移时间越长,所需要的近地点速度越小,它们 的关系如图4所示.转移时间 9 0h以后,近地点速度大小的变化趋于平缓
9、.为了判别卫星是否处于月球的正面,我们求出(一,m)和,md夹角a,这个角度是当探测器到达近月点时,从月球看探测器和地球视线 的夹角,它反映的探测器到达月球时相对于地球的位置.如果a90 0,近月点在月球正面,反之,在月球的背面.把这个夹角随转移时间的变化情况作出图5.可 以看出,当转移时间大 于11 4h时,近月点才在月球的正面,这是本文得到的在工程实践中有重要意义的结果.一一一53叫!甲日巴矛206 01001401 8 0T/h8 04 Oh0 0Tn Ub0O图4近地点速度随转移时间的变化F ig4V eloeityv aryofperigeew ithtran卜time图5。随转移时
10、间的变化Fig.5Theanglev ay rwithtran卜time如果转移轨道是在20 0km高的地球轨道上施加一个速度脉冲增量v d。实现的,到达5期周文艳等:月球探测器转移轨道的特性 分析35 72 0 0km的近月点再施加一个减速脉冲dom使其变成绕月飞行的圆轨道,图6和图7给出这两个速度脉冲和转移时间的关系,转移时间小于10 5h时,两者的变化趋势相同,都是转移时间越长,所需要的速度脉冲越小;但随着转移时间 的继续增加,两个速度脉冲都有缓慢增加的趋势,转移时间从10 5h增加的 1 2oh,两个脉冲之和需要增加约3.5m/5.r e s e s 甲 e s e s,s e 一,尸
11、-一沪一-.35r s e州s e,e s一-.一一.一一,-一一目一3.9111一3.71、1八一2.51、已l、1岑l 气夕l、l日l岌3.51、4巴l名!4去一 5l、.侧.、3.3 1113.IL一-一-0.5e s e s.J,s e一一.一-一.一2 06 010 014 01 8 02 06 0100140180T/hT/h图6近地 点速度脉冲随转移时间的变化Fig.6V eloeityimpuls eofpe rige ev arywithtra ns一time图7近月点速度脉冲随转移时间的变化F ig.7V elocityimpuls eofpe ri lu nev aryw
12、ithtra ns一time由以上分析可知,适当增加转移时间,可 以使近地点速度减小,而且使两端变轨所需要的能量减少,节省燃料.但是转移时间达到一定的值(本文例中是10 5h左右)以后,速度增量的需求会逐渐增加,但是增加的很小.另一方面,从探测器到达月球近地点要求在月球正面来考虑,选择转移时间12 0h左右的转移轨道比较合适.33近地点高度的影响对于轨道倾角3 1“,转移时间 1 2o h的转移轨道,近地点速度v p,近地点速度脉冲dv e和近月点速度脉冲v dm与近地点高度hp的关系由图8一图1 0表示,这些图的总体趋势9扫10八J卜jCn.1甲日巴日名1 10二、10.8的日巴1 0 6,
13、、盛决10.43 0 050070 0hp/km9L e s10 05 0 07 0 09 00hp/km近地点速度随近地点高度的变化V eloeityv aryw ithPe rigeal heigh t图9近地点速度脉冲随近地点高度的变化Fig.9V eloeityimpulsev a rywithperigeal height0 08.8.0 21图i F s5 83空间科学学报42卷0.8 242Cq2OCS0C U11,日巴日名0.818-L10 05 0 07 0 0hp/km图1 0近月点速度增量随近地点高度的变化Fig.10V eloeit yimpuls ev aryofpe
14、 ri lu newithpe rigeal height是相 同的,都随着近地点高度的增大而减小,或者说抬高近地点,可以节省能量.但是近地点的高度很大程度上是由运载的能力决定的,抬高近地点要以减少更多的有效载荷为代价.以CZ一3A运载火箭为例,近地点从20 0km增加到3 50km,运载能力减少约1 80kg,所以要在近地点高度和有效载荷之间作权衡.在实际应用中,对于直接转移轨道,通常是运载把探测器发射到约20 0km的近地点高度,然后加速飞向月球.月球勘探者(Lu na rPo rs Pe c-o tr)首先把探测器发射到约1 8 5km的停泊轨道上,然后机动进入地月转移轨道3.4结论本文
15、针对2 00 4年8月 2 7日0 2500 0从近地点出发,末端条件固定的转移轨道,分析了一些特征参数对轨道特性的影响.分析结果表明,转移轨道的轨道倾角对近地点速度影响不大,对近月点速度的影响比较明显,选择适当的轨道倾角可 以节省燃料;转移时间越长,所需的总的速度增量越小,9 0h以后趋于常值;转移时间接近12o h的转移轨道可以保证卫星到达近月点时处于月球的正面;近地点高度对近地点的速度脉冲影响比较明显,近地点高度越高,所需要的近地点速度脉冲越小参考文献【1a YngW七 ilian.Inv estigationontrans一lunartraje etorie sf orlau neh
16、luna rsa telliteinpolarorbit.S Pae e e召”夕.,12(3):1 9一3 3.i nCh in es e杨维廉.发射极月卫星的转移轨道研究.航天器工程,1 2(3):1 9一3 3【2Montenbruek O,Gill E.Satel liteOrbit.Ge rmany:Spinge-rV erlag,2 000.73一75131AndolzFJ,Do ughe rtyTA.Lu n arprospe etorMis sionHand book.Su n nyv ale:Loek he edMartinMis sile sa ndSPae eCo.,1
17、9 9 85期周文艳等:月球探测器转移轨道的特性分析3 59ANALYSIO SFTHCEHARACTERISTI CSOFTHETRANSFERTRAC JETORYOFLUNAREXLPORERO UZH、V匕nyanY AGN认z己ilian(S,stemDe s坛夕。玩st落t二te,h C。aAeadem梦o f即ae ee Tehool叩,Be红、夕 10 0 08 6)AbstraetTheehara eteristiesofatrans一luna rtr ajeetoryaf f eeted bys omeParameterssueha stheheigh tofPe rige
18、 e,tra那一timeand inelinationoftransf ertra je eto ry15analyz edinthisartiele,Assumingalu narexPlore r15in je etedin tothetransf ertra jeetoryf romaeir eleea rthpa rkingo rbiton02 5000,0 8/27/2004andap pr oa ehe spe rilu neof20 0kmh ighf ormingapolarlh uaro rbit.Tw ov eloeiy timpulseatperi ge eandPe r
19、ilunea r ee aleula ted.Ther esultsshowthat theinelinationoftransf ertr ajeetoryha slittleef f eetonthev eloeiy timPuls eofperigee,butr emark ab leonthev eloeityimPuls eofPe rilune.Atransf ertra je eto rywithee rtaininelina tionshould beeho s entothelea stf ueleons ume.Thetota lveloeityimPuls ew illd
20、e er ea sew iththetr胡s-timeiner e a se s.Whenthetr ans一time15longe rthangoh,thetotalvelo eit yimPuls ev arieslit tle.But thetrans一timeof1 20h 15eho s entoens ur ethatthesPae eera f tbeobs erv ed就Pe rilune.Thef uele anbesv aedb yinerea singthein jeetingheigh t,buttheeaPabilit yof lau nehv ehielesho uld bee onside redsimultane ouslytode eidetheheigh t.Keyw ordsr Tansf ertraje eto r又Heightofperig ee,r Tans一time,Inelination,V eloeityimPuls e.