[发明专利]一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法

权利要求书

1.一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法，其特征在于：它包括以下几个步骤：

步骤一：设计基于月球天梯的月地转移方案

所述基于月球天梯的月地转移方案分为四个阶段：攀爬段、月心椭圆轨道段、月心双曲线轨道段和地心椭圆轨道段；这四个阶段在时间上是顺序关系；

该“攀爬段”是指攀爬器将有效载荷送至月球影响球以内的某一高度；

该“月心椭圆轨道段”是指飞船进入月心椭圆轨道，从远月点飞行至近月点；

该“月心双曲线轨道段”是指飞船进入月心双曲线轨道，从近月点飞行至月球影响球边缘；

该“地心椭圆轨道段”是指飞船进入地心椭圆轨道，从月球影响球边缘飞行至近地点；

步骤二：建立转移方案能量分析模型

所述“转移能量分析模型”是由攀爬段能量分析子模型和轨道转移段能量分析子模型两部分组成，二者是并列关系；

该“攀爬段能量分析子模型”是用于分析攀爬器将有效载荷运送至月心椭圆轨道远月点所消耗的能量；

该“轨道转移段能量分析子模型”是用于分析飞船进行轨道转移消耗的能量；

步骤三：建立转移方案能量优化模型

所述“转移方案能量优化模型”是由两部分组成：转移方案能量优化目标和转移方案能量优化约束；

该“转移方案能量优化目标”是指找到能量最小的转移方案；

该“转移方案能量优化约束”包含三个约束：月心椭圆轨道近月点高度约束，地心椭圆轨道近地点高度约束，单次最大速度增量；

该“月心椭圆轨道近月点高度约束”是指近月点高度大于预定值，防止飞船因近月点高度过低而撞向月球；

该“地心椭圆轨道近地点高度约束”是指近地点高度在预定范围内，使得飞船能够安全返回地球；

步骤四：转移方案能量优化

所述“转移方案能量优化”是指采用遗传算法和拟牛顿法进行组合优化；该“遗传算法”是一种具有全局搜索能力的优化算法，该“拟牛顿法”是一种经典的梯度优化算法，优化结果受初值的影响；本发明涉及的自变量较多，如果直接采用梯度优化算法，则很容易陷入局部最优解，无法得到最优的转移轨道；先采用遗传算法进行全局搜索，将遗传算法的优化结果作为拟牛顿法的初值，再用拟牛顿法进行优化；这种组合优化的特点是不容易陷入局部最优解，而且优化结果往往比单独使用遗传算法更好；

通过以上步骤，建立了一种全新的基于月球天梯的月地转移方案，同时实现了对转移轨道的能量优化，降低了月地转移过程的能量消耗，解决了传统转移方案耗能大、成本高的问题。

2.根据权利要求1所述的一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法，其特征在于：

在步骤一中所述的“设计基于月球天梯的月地转移方案”，其作法如下：

首先确定攀爬段的高度h，然后以攀爬段的高度h以及第一次变轨的速度增量Δv₁为输入参数，确定月心椭圆轨道；再以月心椭圆轨道段的近月点高度、近月点速度以及第二次变轨的速度增量Δv₂为输入参数，确定月心双曲线轨道；最后以月心双曲线轨道结束时的位置、速度以及第三次变轨的速度增量Δv₃为输入参数，确定地心椭圆轨道。

3.根据权利要求1所述的一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法，其特征在于：

在步骤二中所述的“建立转移方案能量分析模型”，其建立的过程如下：

首先根据受力分析求得攀爬器在攀爬段消耗的能量，攀爬器在攀爬过程中受到地球引力、月球引力、离心力和牵引力的作用；然后根据变轨速度增量求得三次变轨消耗的能量。

4.根据权利要求1所述的一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法，其特征在于：

在步骤三中所述的“建立转移方案能量优化模型”，其建立的过程如下：

首先确定优化目标，本发明的优化目标为转移方案的能量最小；然后确定约束条件，本发明的约束条件包括高度约束和速度增量约束。

5.根据权利要求1所述的一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法，其特征在于：

在步骤四中所述的“转移方案能量优化”，其优化的方法如下：

先利用遗传算法进行全局搜索，将遗传算法的优化结果作为拟牛顿法的初值，再用拟牛顿法进行优化；这种组合优化的特点是不容易陷入局部最优解，而且优化结果往往比单独使用遗传算法更好。