[发明专利]一种月球采样返回任务中的定点着陆轨道设计方法

说明书

本发明公开了一种月球采样返回任务中的定点着陆轨道设计方法，该方法包括：结合月球采样返回任务地月转移段近月点倾角优化，通过在近月制动机动中引入轨道面法向速度增量分量来瞄准预定月面落点经度，通过环月降轨变轨纬度幅角和轨道面内速度增量分量来瞄准预定月面落点纬度和动力下降开始点高度，并使得月面落点在预定月面上升时刻位于目标轨道面内；另外，通过引入环月降轨速度增量法向分量来修正落点经度和调整动力下降时刻来消除纵向航程误差。本发明解决了现有定点着陆技术中没有考虑轨道设计对后续月球轨道交会对接的影响，导致较大的月球轨道交会对接轨道面修正速度增量的问题。

技术领域

本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种月球采样返回任务中的定点着陆轨道设计方法。

背景技术

在月球采样返回任务或载人登月任务中，都可能涉及探测器从环月轨道开始下降，通过变轨机动进入月面动力下降弹道，并在预定月面落点实现软着陆。月面定点着陆轨道设计是我国实现月球采样返回和载人登月必须突破的一项关键轨道设计技术。

月球采样返回任务轨道全飞行过程包括运载发射、地月转移、近月制动、环月飞行、月面动力下降、月面工作、月面动力上升、交会对接、月地转移、再入回收等飞行阶段。参考图1和图2所示，探测器在完成地月转移和近月制动后，最初在一个圆形轨道上飞行，稍后轨道器和着陆器上升器组合体实现分离。着陆器上升器组合体以下简称着上组合体。着上组合体在轨道上运行几圈后，在一个合适的纬度幅角实施切向变轨机动，进入近月点高度约为15km的椭圆轨道。着上组合体将在该椭圆轨道上运行几圈，当着上组合体到达动力下降开始点并取得预定的高度15km，开始沿动力下降轨迹实现在月球表面着陆。这里动力下降开始点为近月点。

国内外诸多学者已对月面定点着陆轨道设计方法进行了深入的研究，包括通过落月圈次的调整以及环月轨道面的调整等方法来实现对预定落点经度的瞄准，还包括通过环月降轨平面内速度增量和变轨位置来瞄准预定月面落点纬度和动力下降点高度。其中，环月轨道面的调整可以通过调整升交点赤经和修正轨道倾角来实现。

在实际工程应用特别是在月球采样返回任务工程设计中，遇到定点着陆理论研究没有回答的新问题。在采样返回任务中，着上组合体落月后在一定工作时间内，例如在1～2天内进行采样工作，然后上升器必须在预定月面上升时间起飞，使得其入轨后的环月轨道面与轨道器的轨道面基本一致，以减小后续二者实现月球轨道交会对接所需的平面修正速度增量。为实现这一目标，需要在地月转移段对近月点的目标环月轨道倾角进行调整优化，使得月面起飞时上升器位于轨道器轨道面内。但倾角的调整涉及轨道面的变化，会影响月面落点位置。另一方面，现有定点着陆技术没有考虑倾角优化的影响，不能保证月面上升时月面落点位于轨道器轨道面内，所以可能导致较大的月球轨道交会对接轨道面修正速度增量。而且，现有方法没有考虑两次经度瞄准，仅采用环月降轨一次控制来瞄准预定落点经度，不能实现大的落点经度调整。所以，采样返回任务中实现月面定点着陆时不能简单套用现有技术，其中如何保证月面起飞时上升器位于轨道器轨道面内是一大难题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对月球采样返回任务中要求月面起飞时上升器位于轨道器轨道面内导致的环月轨道倾角调整对月面落点的影响，对环月轨道倾角优化和月面定点着陆变轨方法进行联合设计，从而同时满足月面定点着落和月面共面起飞的设计要求，并尽量减少实际飞行中误差因素对月面落点散布的影响，保障月球采样返回任务目标的顺利完成。

第一方面，本申请实施例提供的一种月球采样返回任务中的定点着陆轨道设计方法，该方法包括：

步骤1.在每一地月转移中途修正中，采用变轨速度增量三分量瞄准预定近月点倾角、近月点高度和真近点角，其中，所述真近点角的取值为0度；