[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法，可以解决传统月地转移方案耗能大、成本高的问题，属于航天技术领域。

背景技术

随着人类探索太空的不断深入，现有的运载技术越来越不能满足要求。目前世界上进入太空的主要运载工具是运载火箭，运载火箭的规模和水平支撑了进入空间的能力。但是运载火箭的效率非常低，有效载荷的质量不到火箭整体质量的10％，推进剂占了90％以上的质量。基于天梯技术的运载技术以其新颖的理念和强大的优势脱颖而出。

天梯，又叫太空电梯，其主体是一条缆绳，一端固定连接在地面平台，另一端通向太空与配重相连，整个缆绳保持绷紧。为了便于应用，可以在缆绳上设置太空站。攀爬器沿缆绳运行，可以在地面与太空站之间运送货物和人员。由于月球的引力小，月球天梯对缆绳强度的要求较小；而且月球没有大气和磁场，航天器和太空垃圾也极少，月球天梯的稳定和安全有所保障。

人类在月球探测活动中，月面采样返回任务和载人月球探测任务都需要将航天器从月球表面发射并返回地球。目前载人和无人航天器从月面返回地球都要使用化学推进，消耗的能量大，成本高，所以有必要设计从月面返回地球的最优能量转移方案。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法。本发明能从两个方面减少月面到地球的转移能量。一是提出了基于月球天梯的月地转移方案，此方案相比于传统利用运载火箭的转移方案消耗的能量少；二是基于此方案提出了能量最优轨道设计方法，利用此方法能设计出能量最优的基于月球天梯的月地转移轨道。

发明内容

1、目的

本发明的目的是提供一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法，利用月球天梯设计月地转移轨道，并对轨道进行优化设计，得到能量最优的转移方案。

2、技术方案

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明一种基于月球天梯的能量最优月地转移轨道设计方法，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；这四个阶段的关系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”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”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一定值，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”是指近地点高度在一定范围内，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；可以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。

其中，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：