载人小行星探测轨道设计

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1、2013年2月第1期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology载人小行星探测轨道设计武江凯王开强张柏楠白明生李志海(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要文章应用I．ambert理论对载人小行星探测的轨道进行设计。结合轨道设计的基本条件与假设，建立了基于Lambert问题的轨道模型，并进行了仿真验证，结果证明模型正确有效。采用该模型，以发射窗口在2045年编号为89136的载人探测小行星A为例，给出了轨道设计的结果，同时对不同的故障情况下任务中止轨道及其特性进行了分析，对探测器应急返回能力进行了探讨。关键

2、词载人探测小行星轨道设计兰伯特问题中止轨道DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．01．0011引言小行星是太阳系内类似行星环绕太阳运动，但体积和质量比行星小得多的天体。长期以来，针对小行星的无人探测大多是xCd,行星表面物理、地质特征(如形状、大小、质量分布等)进行观测或取样研究，由于航天员具有主观能动性，可以进行现场考察、科学仪器的布置、样本采集和样本初步辨识等探测活动，因此可以更好地完成小行星的探测任务。同时由于近地小行星还存在撞击地球的威胁，如果通过载人探测可以对其轨道进行偏移，将使地球免遭一场劫难。因此，xCd,行星进行载

3、人探测意义重大uJ。截止到目前，人类共对小行星进行了7次探测，全部为无人探测，其中3次为飞掠探测。最近一次探测为2003年5月发射的日本“隼鸟号”探测器，对小行星“丝川I”进行探测，采集了小行星样本，并于2010年6月成功返回。中国月球探测器“嫦娥二号”也将在2012年年底或2013年年初对一颗对地球具有潜在威胁的4179号小行星进行飞掠探测。理论上，文献[2]对2029到2036年间Apophis小行星探测任务进行了初步设计和分析，文献[3]提出了使用“猎户座”飞船探测小行星的计划，并对探测方案进行了初步设计。目前我国在载人小行星探测领域的研究还处于空白，但

4、是小行星探测已经逐渐成为航天大国载人深空探测的发展趋势，根据我国载人航天的长远规划，有必要提前对未来的探测任务作出初步研究。本文以载人小行星探测为背景，主要从任务分析的角度出发，对载人小行星探测轨道设计方法进行研究，对发射窗口在2045年的编号为89136小行星(以下称小行星A)进行探测轨道设计，并对任务中止轨道特性进行分析。2轨道设计基本条件(1)约束条件根据我国目前航天技术发展现状，本文对发射窗口、总飞行时间和再人地球大气速度‰。，，提CAST创新基金“载人小行星探测技术研究”(20100910)资助项目收稿日期：20120424。收修改稿日期：2012一

5、06—27；主旦窒间型堂堇垄!!!!笙!旦出了约束要求如下：1)发射窗口在2020—2050年之问。2)飞行时问不大于200天。目前，国际空间站上的航天员轮换周期约为170～180天。本文考虑20～30天的余量，认为200天之内是航天员可以承受的飞行时问。3)根据文献[2-3]，按照目前的再人技术发展状况，暂定载人探测器的再入速度不超过12km／s。此外，通常还存在再入角的约束要求，即返回舱再人大气的再入角需要控制在一定范围之内。但是，载人小行星探测中，可以通过调整返回舱进入“地球影响球”时的速度矢量距地心的距离，来控制再人角的大小，以满足再人要求，在本文轨道

6、设计中未涉及，故不将其列为约束条件。(2)基本假设1)由于小行星体积、质量都比较小，故可忽略它对探测器的引力作用。2)共面假设：在本研究中，候选的日标小行星的轨道倾角较小(主要候选星小于3。，备选目标星不超过5。)，因此假定小行星在黄道面内。(3)设计变量本研究中的设计变量包括发射窗口、速度增量和飞行时问。其中发射窗口和飞行时间是自变量；速度增量是因变量，它可以根据发射窗口和一定的飞行时问进行相关轨道设计汁算得到。需要说明的是，本文所指的发射窗口是指从地球停泊轨道发射逃逸的时问，飞行时间是指从地球停泊轨道出发至返回再入地球大气的飞行时间，速度增量是指从地球停泊

7、轨道上加速及以后的速度增量。(4)坐标系定义定义一个日心黄道惯性坐标系，坐标原点为太阳质心；X轴指向‘厂2000．0平春分点；Y轴在黄道面内沿逆时针方向垂直于x轴；Z轴垂直于黄道面，其指向与x轴和y轴满足右手定则关系。3轨道设计Lambert问题，是二体问题中在给定时间内从一个位置转向另一个位置的通用的两点边界值问题。本文基于Lambert理论，对载人小行星探测轨道进行设计。3．1Lambert问题根据Lambert理论，在中心引力作用下的二次曲线运动，从一点运动到另一点的转移时问，仅与轨道半长轴、两点之问距离和两点到引力中心的距离之和有关。其数学表述为石△￡

8、一F(a，r，+rf，c)(1)式中肛