RU2614464C2 - Spacecraft control method for flying around moon - Google Patents

Spacecraft control method for flying around moon Download PDF

Info

Publication number
RU2614464C2
RU2614464C2 RU2015139294A RU2015139294A RU2614464C2 RU 2614464 C2 RU2614464 C2 RU 2614464C2 RU 2015139294 A RU2015139294 A RU 2015139294A RU 2015139294 A RU2015139294 A RU 2015139294A RU 2614464 C2 RU2614464 C2 RU 2614464C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
earth
orbit
moon
spacecraft
plane
Prior art date
Application number
RU2015139294A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015139294A (en
Inventor
Рафаил Фарвазович Муртазин
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2015139294A priority Critical patent/RU2614464C2/en
Publication of RU2015139294A publication Critical patent/RU2015139294A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2614464C2 publication Critical patent/RU2614464C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: aviation.
SUBSTANCE: method comprises undocking the SC from Earth orbital space station (OSS) and transferring to flight path to the moon. Then SC is placed into selenocentric orbit. After being there a specified time the SC is transferred to the flight path to Earth in a plane coinciding with the plane of the original OSS low earth orbit at a specified docking point. In order to accomplish that, SC orbital plane change is performed on the selenocentric orbit at a predetermined angle. Further, SC drifts down until the height of the OSS orbit by several brakings in the Earth's atmosphere. Then the SC is docked again with OSS.
EFFECT: possibility of multiple flights, for example, between near-earth and near-lunar OSS at relatively low reference speed input and in a time of about 15 days.
6 dwg

Description

Предлагаемый способ управления может быть использован в космической технике при организации облета Луны космическим аппаратом (КА), находящимся, например, в составе околоземной орбитальной станции (ОС). Предполагается, что после проведения облета Луны КА возвращается на исходную околоземную орбиту для последующей стыковки с ОС [1. «Луна. Шаг к технологиям освоения Солнечной системы» под. ред. В.П. Легостаева, М., РКК «Энергия», 2011].The proposed control method can be used in space technology when organizing the moon around a spacecraft (SC), located, for example, as part of a near-Earth orbital station (OS). It is assumed that, after the Moon’s flight, the spacecraft returns to its initial near-Earth orbit for subsequent docking with the OS [1. "Moon. Step to the Solar System Development Technologies ”under. ed. V.P. Legostaeva, M., RSC Energia, 2011].

Известен способ управления, выбранный в качестве аналога, в котором выполняется облет Луны с использованием КА «Зонд-7», выводимом на опорную орбиту с помощью ракеты-носителя (РН) «Протон». После выведения на околоземную орбиту КА «Зонд-7» выполняет отлетный импульс для облета Луны по возвратной траектории [2. В.И. Левантовский «Механика космического полета в элементарном изложении», М., Наука, 1980]. Основным недостатком такого способа управления является то, что КА после облета Луны входит в атмосферу Земли с последующим приземлением в заданном районе и, таким образом, использование этого КА многократно невозможно.A known control method, selected as an analogue in which the moon is circled using the Zond-7 spacecraft, is launched into the reference orbit by the Proton launch vehicle (LV). After launching into near-Earth orbit, the Zond-7 spacecraft performs a take-off impulse for flying around the Moon along a return trajectory [2. IN AND. Levantovsky "The mechanics of space flight in an elementary exposition", M., Science, 1980]. The main disadvantage of this control method is that the spacecraft after the moon’s flight enters the Earth’s atmosphere with subsequent landing in a given area and, therefore, the use of this spacecraft is many times impossible.

Известен способ управления КА для облета Луны, выбранный в качестве прототипа, включающий приложение к КА, находящемуся на исходной околоземной орбите, импульса для перелета к Луне продолжительностью t1, импульса для перехода на селеноцентрическую орбиту, на которой КА выполняет полет продолжительностью t2 и импульса для обратного перелета к Земле продолжительностью t3 [2]. В качестве КА рассматривался космический корабль (КК) «Аполлон-12», выводимый на опорную орбиту с помощью РН «Сатурн-5». После выведения КК выполняет отлетный импульс для перелета к Луне. После перехода на селеноцентрическую орбиту КК и выполнения заданного по программе полета числа витков вокруг Луны КК выполняет отлетный импульс для перелета к Земле с последующим входом в атмосферу и посадкой в заданном районе, что так же, как и в аналоге исключает его многократное использование и является основным недостатком.There is a known method of controlling the spacecraft for the Moon’s flyby, selected as a prototype, which includes applying to the spacecraft in the initial low Earth orbit an impulse for a flight to the moon of duration t 1 , an impulse to transition to a selenocentric orbit, in which the spacecraft performs a flight of duration t 2 and an impulse for a return flight to the Earth with a duration of t 3 [2]. The spacecraft (SC) Apollo-12, launched to the reference orbit using the Saturn-5 LV, was considered as a spacecraft. After the launch, the spacecraft performs a take-off impulse for the flight to the moon. After transferring to the selenocentric orbit of the spacecraft and performing the number of turns around the moon specified in the flight program, the spacecraft performs a take-off impulse for a flight to Earth with subsequent entry into the atmosphere and landing in a given area, which, like the analogue, eliminates its repeated use and is the main disadvantage.

Задачей изобретения является выполнение облета Луны с последующим возвращением КА на исходную околоземную орбиту для стыковки с ОС и возможностью многократного использования КА.The objective of the invention is the implementation of the flyby of the moon, followed by the return of the spacecraft to the initial near-earth orbit for docking with the OS and the possibility of reuse of the spacecraft.

Техническим результатом изобретения является возможность отработки КА, предназначенного для многократных перелетов между околоземной ОС и ОС, расположенной на орбите Луны.The technical result of the invention is the possibility of working out a spacecraft intended for multiple flights between the near-Earth OS and the OS located in the orbit of the Moon.

Технический результат достигается благодаря тому, что в способе управления КА при облете Луны, включающем приложение к КА, находящемуся на исходной околоземной орбите, импульса для перелета к Луне продолжительностью t1, импульса для перехода на селеноцентрическую орбиту, на которой КА выполняет полет продолжительностью t2 и импульса для обратного перелета к Земле продолжительностью t3, в отличие от известного способа после завершения перелета к Земле КА возвращают в плоскость исходной околоземной орбиты, для чего определяют продолжительность t2 по формулеThe technical result is achieved due to the fact that in the spacecraft control method during the Moon’s flyby, including the application to the spacecraft in the initial near-Earth orbit, a pulse for a flight to the Moon of duration t 1 , a pulse for transition to the selenocentric orbit, in which the spacecraft performs a flight of duration t 2 and an impulse for a return flight to the Earth with a duration of t 3 , in contrast to the known method, after completing a flight to the Earth, the spacecraft is returned to the plane of the initial near-earth orbit, for which they determine continue flax t 2 according to the formula

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где ϕ1 - угол между линией Земля-Луна и плоскостью исходной околоземной орбиты в момент приложения отлетного импульса,where ϕ 1 is the angle between the Earth-Moon line and the plane of the initial near-Earth orbit at the time of application of the take-off pulse,

ωОЗ - угловая скорость прецессии плоскости исходной околоземной орбиты,ω ОЗ is the angular velocity of the precession of the plane of the initial near-Earth orbit,

ωЛ - угловая скорость вращения Луны относительно Земли,ω L - the angular velocity of rotation of the Moon relative to the Earth,

t4 - интервал времени, необходимый для согласования высоты орбиты КА с высотой исходной околоземной орбиты,t 4 is the time interval necessary for matching the height of the orbit of the spacecraft with the height of the initial near-earth orbit,

и в одном из апексов селеноцентрической орбиты к КА прикладывают импульс для поворота линии узлов на угол Δϕ в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты, определенный по формулеand in one of the apexes of the selenocentric orbit, a pulse is applied to the spacecraft to rotate the line of nodes at an angle Δϕ in the direction perpendicular to the plane of the orbit, determined by the formula

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где ϕ2 - угол между линией Луна-Земля и плоскостью селеноцентрической орбиты в момент прилета КА к Луне,where ϕ 2 is the angle between the Moon-Earth line and the plane of the selenocentric orbit at the time of the spacecraft’s arrival to the Moon,

ϕ3 - угол между линией Луна-Земля и плоскостью селеноцентрической орбиты в момент приложения импульса для обратного перелета к Земле,ϕ 3 is the angle between the Moon-Earth line and the plane of the selenocentric orbit at the time of application of the impulse for the return flight to the Earth,

Δϕд - определяемый расчетным путем поправочный угол, парирующий возмущения селеноцентрической орбиты от Земли и Солнца и отличия проекций углов ϕ2 и ϕ3 на плоскость экватора Земли от их истинных значений.Δϕ d is the correction angle determined by calculation, fending off perturbations of the selenocentric orbit from the Earth and the Sun and differences between the projections of the angles ϕ 2 and ϕ 3 on the plane of the Earth's equator from their true values.

Предлагаемый способ рассмотрим на примере КА, пристыкованного к ОС, находящейся на исходной околоземной орбите. Технический результат в предлагаемом способе управления достигается за счет того, что после отделения от ОС и приложения отлетного импульса КА переводится на траекторию перелета к Луне. По достижении окололунной орбиты выполняется тормозной импульс для перехода КА на селеноцентрическую орбиту. По истечении заданного времени нахождения КА на этой орбите выполняется импульс для обратного перелета к Земле. После перелета к Земле за счет нескольких торможений в атмосфере Земли переходит на так называемые тормозные эллипсы [2], постепенно снижая высоту орбиты вплоть до высоты орбиты ОС. Затем КА вновь пристыковывается к ОС.We will consider the proposed method by the example of a spacecraft docked to the OS located in the initial near-Earth orbit. The technical result in the proposed control method is achieved due to the fact that after separation from the OS and the application of the take-off impulse, the spacecraft is transferred to the flight path to the moon. Upon reaching the lunar orbit, a braking impulse is performed to transfer the spacecraft to the selenocentric orbit. After the specified time spent by the spacecraft in this orbit, an impulse is executed for the return flight to the Earth. After a flight to the Earth, due to several decelerations in the Earth’s atmosphere, it switches to the so-called brake ellipses [2], gradually reducing the height of the orbit up to the height of the orbit of the OS. Then the SC again docked to the OS.

Заданное время нахождения на селеноцентрической орбите необходимо для совпадения плоскостей орбит ОС и КА после завершения торможения КА в атмосфере Земли. КА выполняет отлетный импульс с исходной плоскости околоземной орбиты. Вследствие вращения Луны с угловой скоростью ωЛ~13.2°/сутки отлет к Луне в этой системе координат выполняется с некоторым упреждающим углом ϕ1~27° [3. «Основы теории полета космических аппаратов» под ред. Г.С. Нариманова, Машиностроение, Москва, 1972] между линией Земля-Луна и плоскостью исходной орбиты. Вследствие нецентральности гравитационного поля Земли исходная околоземная орбита, на которой находится ОС имеет угловую скорость прецессии плоскости ωОЗ, составляющую около 5° в сутки [3]. Поэтому за время, складывающееся из времени перелета к Луне t1, времени нахождения на селеноцентрической орбите t2, обратного перелета к Земле t3, и времени после обратного перелета до возвращения КА в плоскость орбиты ОС t4, исходная плоскость орбиты ОС за счет прецессии развернется на уголThe specified time spent in the selenocentric orbit is necessary for the planes of the orbits of the OS and the spacecraft to coincide after the completion of the braking of the spacecraft in the Earth's atmosphere. The spacecraft performs a take-off impulse from the initial plane of the near-Earth orbit. Due to the rotation of the moon with an angular velocity ω Л ~ 13.2 ° / day, the flight to the moon in this coordinate system is performed with a certain anticipatory angle ϕ 1 ~ 27 ° [3. "Fundamentals of the theory of spacecraft flight", ed. G.S. Narimanova, Mechanical Engineering, Moscow, 1972] between the Earth-Moon line and the plane of the original orbit. Due to the off-center nature of the Earth’s gravitational field, the initial near-Earth orbit where the OS is located has an angular precession velocity of the plane ω ОЗ of about 5 ° per day [3]. Therefore, during the time consisting of the flight time to the moon t 1 , the time spent in the selenocentric orbit t 2 , the return flight to the Earth t 3 , and the time after the return flight until the spacecraft returns to the OS orbit plane t 4 , the initial plane of the OS orbit due to the precession will turn around

Figure 00000003
Figure 00000003

в направлении по часовой стрелке, если смотреть в проекции на плоскость экватора Земли со стороны Северного полюса. Теперь рассмотрим вращательное движение Луны. К началу обратного перелета линия Луна-Земля развернется относительно начального положения плоскости исходной орбиты ОС на угол ϕЛ, рассчитываемый по формулеin a clockwise direction, when viewed in projection onto the plane of the equator of the Earth from the North Pole. Now consider the rotational motion of the moon. By the beginning of the return flight, the Moon-Earth line will unfold relative to the initial position of the plane of the original OS orbit by an angle ϕ L , calculated by the formula

Figure 00000004
Figure 00000004

Для совмещения плоскостей орбиты прилета и орбиты ОС необходимо, чтобы линия Луна-Земля на момент отлета, находилась в плоскости исходной околоземной орбиты, т.е. ϕЛ=180°-ϕОЗ.To combine the planes of the orbit of arrival and the orbit of the OS, it is necessary that the Moon-Earth line at the time of departure, be in the plane of the original near-Earth orbit, i.e. ϕ L = 180 ° -ϕ OZ .

Решая это уравнение, относительно t2 можно получить допустимое время нахождения КА на селеноцентрической орбитеSolving this equation, with respect to t 2, one can obtain the admissible time spent by the spacecraft in a selenocentric orbit

Figure 00000005
Figure 00000005

Для оптимального возвращения на Землю с минимальными топливными затратами необходимо, чтобы в момент приложения импульса для отлета угол упреждения между линией Луна-Земля и плоскостью селеноцентрической орбиты составлял ϕ3~60÷70° [3]. Если скорость КА, образованная геометрической добавкой к орбитальной скорости КА на селеноцентрической орбите отлетного импульса и линейной скорости вращения Луны (~1 км/с), не превосходит геоцентрическую параболическую скорость, то КА через некоторое время после выхода из сферы действия Луны поворачивает к Земле и его траектория будет близка к направлению линии Луна-Земля [3].For optimal return to Earth with minimal fuel costs, it is necessary that at the moment of application of the impulse for departure, the lead angle between the Moon-Earth line and the plane of the selenocentric orbit is ϕ 3 ~ 60–70 ° [3]. If the spacecraft speed, formed by the geometric addition to the spacecraft’s orbital speed in the selenocentric orbit of the take-off impulse and the linear velocity of the moon (~ 1 km / s), does not exceed the geocentric parabolic speed, then the spacecraft turns to the Earth some time after it leaves the sphere of action of the moon and its trajectory will be close to the direction of the Moon-Earth line [3].

Предположим, что после перелета к Луне угол между плоскостью селеноцентрической орбиты и линией Луна-Земля составит ϕ2~75° [3], что соответствует переходу на полярную селеноцентрическую орбиту. За время нахождения на селеноцентрической орбите t2, линия Луна-Земля повернется на угол ωЛ⋅t2 и фактический угол между линией Луна-Земля и селеноцентрической орбитой составит: 180°-ϕ2Л⋅t2, при условии, что плоскости эклиптики и экватора Земли совпадают.Suppose that after the flight to the Moon, the angle between the plane of the selenocentric orbit and the Moon-Earth line will be ϕ 2 ~ 75 ° [3], which corresponds to the transition to the polar selenocentric orbit. While in the selenocentric orbit t 2 , the Moon-Earth line will rotate at an angle ω Л ⋅t 2 and the actual angle between the Moon-Earth line and the selenocentric orbit will be: 180 ° -ϕ 2Л ⋅t 2 , provided that the planes of the ecliptic and the equator of the Earth coincide.

Для оптимального обратного перелета к Земле необходимо повернуть плоскость селеноцентрической орбиты на угол Δϕ, чтобы обеспечить на момент отлета оптимальный угол ϕ3, т.е.For an optimal return flight to the Earth, it is necessary to rotate the plane of the selenocentric orbit by the angle Δϕ to provide the optimal angle ϕ 3 at the time of departure, i.e.

Figure 00000006
Figure 00000006

Как известно из курса начертательной геометрии: если стороны угла не параллельны плоскости проекции, то угол проецируется на эту плоскость с искажением. Так как плоскость вращения Луны находится в плоскости, близкой к плоскости эклиптики, составляющей с плоскостью экватора Земли угол ε≈23.5°, то проекция углов будет несколько отличаться от значений плоских углов между линией Луна-Земля и плоскостью селеноцентрической орбиты. Это несоответствие при заданном угле ε составит до нескольких градусов. Также возможно отличие этой формулы вследствие изменения положения плоскости селеноцентрической орбиты (до нескольких градусов) из-за влияния гравитационного поля Земли и Солнца, которое может проявляться на высокоэллиптической селеноцентрической орбите. Все вышесказанное требует введения в формулу для определения угла поворота Δϕ поправочного угла Δϕд, определяемого расчетным путем и достигающим значения до 10°. Таким образом, формула для определения поворота плоскости селеноцентрической орбиты окончательно имеет вид:As you know from the course of descriptive geometry: if the sides of the angle are not parallel to the projection plane, then the angle is projected onto this plane with distortion. Since the plane of rotation of the Moon is in a plane close to the plane of the ecliptic, which makes the angle ε≈23.5 ° with the plane of the equator of the Earth, the projection of the angles will slightly differ from the values of the plane angles between the Moon-Earth line and the plane of the selenocentric orbit. This mismatch at a given angle ε will amount to several degrees. It is also possible that this formula may differ due to a change in the position of the plane of the selenocentric orbit (up to several degrees) due to the influence of the gravitational field of the Earth and the Sun, which can manifest itself in a highly elliptical selenocentric orbit. All of the above requires introducing into the formula for determining the rotation angle Δϕ the correction angle Δϕ d , determined by calculation and reaching values up to 10 °. Thus, the formula for determining the rotation of the plane of the selenocentric orbit finally has the form:

Figure 00000007
Figure 00000007

Сущность изобретения поясняется фиг. 1÷6, гдеThe invention is illustrated in FIG. 1 ÷ 6, where

на фиг. 1 показана схема полета аналога - облет Луны с использованием КА «Зонд-7»,in FIG. 1 shows the flight diagram of the analogue - flyby the moon using the spacecraft "Probe-7",

на фиг. 2 приведена схема полета прототипа - перелета на окололунную орбиту по схеме КК «Апполон-12»,in FIG. 2 shows the flight diagram of the prototype - a flight to a lunar orbit according to the spacecraft "Apollo-12",

на фиг. 3 представлена схема, поясняющая определение наиболее благоприятных условий для отлета отлет прототипа к Земле,in FIG. 3 is a diagram explaining the determination of the most favorable conditions for the departure of the prototype flight to Earth,

на фиг. 4 поясняется схема полета КА по предлагаемому способу,in FIG. 4 illustrates the flight scheme of the spacecraft according to the proposed method,

на фиг. 5 приведена проекция угла ϕ2 на плоскость экватора Земли,in FIG. 5 shows the projection of the angle ϕ 2 on the plane of the equator of the Earth,

на фиг. 6 представлена схема с последовательными прохождениями на заданном расстоянии от Земли и последующим выходом на орбиту ОС.in FIG. Figure 6 shows a diagram with successive passes at a given distance from the Earth and subsequent exit into orbit of the OS.

На фиг. 1-6 отмечены следующие позиции:In FIG. 1-6 marked the following items:

1 - исходная околоземная орбита, 2 - отлетный импульс к Луне, 3 - направление движения Луны, 4 - возвратная траектория КА после облета Луны, 5 - тормозной импульс, 6 - селеноцентрическая орбита, 7 - отлетный импульс для перелета к Земле, 8 - траектория перелета к Земле, 9 - упреждающий угол ϕ1, 10 - угол ϕ2, 11 - угол упреждения ϕ3, 12 - угол поворота ϕОЗ, 13 - угол поворота Луны ϕЛ, 14 - угол разворота плоскости Δϕ, 15 - проекция

Figure 00000008
угла ϕ2, 16 - линия Луна-Земля, 17 - плоскость экватора Земли, 18 - плоскость вращения Луны вокруг Земли, 19 - угол ε наклона эклиптики, 20 - угол u положения Луны, 21 - атмосфера Земли, 22 - импульс перехода КА на орбиту околоземной ОС.1 - the initial near-Earth orbit, 2 - the departure impulse to the Moon, 3 - the direction of the Moon’s movement, 4 - the spacecraft return trajectory after the Moon’s flight, 5 - the braking impulse, 6 - the selenocentric orbit, 7 - the departure impulse for the flight to the Earth, 8 - the trajectory flight to the Earth, 9 - anticipatory angle ϕ 1 , 10 - angle ϕ 2 , 11 - lead angle ϕ 3 , 12 - angle of rotation ϕ OZ , 13 - angle of rotation of the moon ϕ L , 14 - angle of rotation of the plane Δϕ, 15 - projection
Figure 00000008
angle ϕ 2 , 16 is the Moon-Earth line, 17 is the plane of the Earth's equator, 18 is the plane of rotation of the Moon around the Earth, 19 is the angle of inclination ε of the ecliptic, 20 is the angle u of the position of the Moon, 21 is the Earth’s atmosphere, 22 is the momentum of the spacecraft transition to near-Earth orbit.

На фиг. 1 показана траектория облета Луны с использованием КА «Зонд-7» в системе отсчета, вращающейся вместе с линией Земля-Луна. После выведения КА находится на исходной околоземной орбите (1). В заданной точке орбиты к КА прикладывают отлетный импульс (2), после чего КА облетает Луну со стороны ее движения вокруг Земли (3) и по возвратной траектории прилетает к Земле (4) с последующим приземлением в заданном районе.In FIG. Figure 1 shows the trajectory of the lunar flyby using the Zond-7 spacecraft in a frame of reference rotating with the Earth-Moon line. After the launch, the spacecraft is in the initial near-earth orbit (1). At a given point in the orbit, a take-off impulse (2) is applied to the SC, after which the SC flies around the Moon from the direction of its movement around the Earth (3) and flies back to the Earth along the return path (4) with subsequent landing in a given area.

На фиг. 2 приведена схема полета прототипа - перелета на окололунную орбиту по схеме КК «Апполон-12» также в системе отсчета вращающейся вместе с линией Земля-Луна. После приложения отлетного импульса (2), КК перелетает в окрестность Луны, где после выдачи тормозного импульса (5) переходит на селеноцентрическую орбиту (6). Через ~ 4 суток, когда появляются условия для оптимального перелета к Земле с минимальными топливными затратами [3], КА выполняет отлетный импульс (7) и возвращается на Землю по траектории прилета (8) с последующей посадкой в заданном районе.In FIG. Figure 2 shows the flight diagram of the prototype - a flight to a lunar orbit according to the spacecraft "Apollo-12" scheme also in the reference system rotating together with the Earth-Moon line. After the application of the take-off impulse (2), the spacecraft flies to the vicinity of the Moon, where, after the issuance of the inhibitory impulse (5), it passes into the selenocentric orbit (6). After ~ 4 days, when conditions arise for an optimal flight to Earth with minimal fuel costs [3], the spacecraft performs a take-off impulse (7) and returns to Earth along the arrival path (8) with subsequent landing in a given area.

На фиг. 3 в проекции на плоскость экватора Земли представлена схема, поясняющая определение оптимальных условий, позволяющих выполнить отлет прототипа к Земле с минимальным расходом топлива. КА выполняет отлетный импульс с исходной плоскости околоземной орбиты (1), представленной линией пересечения этой плоскости с плоскостью земного экватора. Вследствие вращения Луны с угловой скоростью ωЛ~13.2°/сутки отлет к Луне в этой системе координат выполняется с некоторым упреждающим углом ϕ1 (9). После достижения Луны КА переходит на селеноцентрическую орбиту (6), плоскость которой представлена линией пересечения этой плоскости с лунным экватором и образующей угол ϕ2 (10) с линией Луна-Земля. Для оптимального возвращения на Землю необходимо, чтобы в момент приложения импульса для отлета (7) угол упреждения ϕ3 (11) составлял ~60÷70°.In FIG. 3 in a projection onto the plane of the Earth’s equator, a diagram is presented explaining the definition of optimal conditions that allow the prototype to fly to Earth with a minimum fuel consumption. The spacecraft performs a take-off impulse from the initial plane of the near-Earth orbit (1), represented by the line of intersection of this plane with the plane of the earth's equator. Due to the rotation of the moon with an angular velocity ω Л ~ 13.2 ° / day, the flight to the moon in this coordinate system is performed with a certain anticipatory angle ϕ 1 (9). After reaching the Moon, the spacecraft passes to the selenocentric orbit (6), the plane of which is represented by the line of intersection of this plane with the lunar equator and forming an angle ϕ 2 (10) with the Moon-Earth line. For optimal return to Earth, it is necessary that at the moment of application of the pulse for departure (7), the lead angle ϕ 3 (11) is ~ 60–70 °.

На фиг. 4 также в проекции на плоскость экватора Земли поясняется схема полета КА по предлагаемому способу. За полное время полета КА, включающее перелет к Луне, нахождение на селеноцентрической орбите (6), обратный перелет КА к Земле и время перехода от тормозных эллипсов на орбиту с высотой орбиты ОС, плоскость исходной орбиты ОС (1) повернется вдоль экватор Земли на угол ϕОЗ (12). Для совпадения плоскостей орбит КА и ОС на момент стыковки КА с ОС необходимо, чтобы к моменту начала обратного отлета угол ϕОЗ (12) соответствовал углу ϕЛ (13), т.е. в момент отлета линия Луна-Земля находилась в плоскости исходной околоземной орбиты (1), которую она займет на момент стыковки КА с ОС. Это условие определяет продолжительность нахождения КА на селеноцентрической орбите. При этом для перелета КА к Земле с минимальными топливными затратами необходимо, чтобы к моменту отлета угол ϕ3 был равен оптимальному ~60÷70°, что требует выполнения разворота плоскости селеноцентрической орбиты (6) на угол Δϕ (14).In FIG. 4 also, in a projection onto the plane of the Earth's equator, the spacecraft flight scheme according to the proposed method is explained. For the full spacecraft flight time, including the flight to the moon, being in a selenocentric orbit (6), the spacecraft’s return flight to the Earth, and the time of transition from the brake ellipses to the orbit with the OS orbit height, the plane of the original OS orbit (1) will rotate along the Earth's equator by an angle ϕ OZ (12). For the planes of the orbits of the spacecraft and the spacecraft to coincide at the time of the spacecraft docking with the spacecraft, it is necessary that by the time the return departure begins, the angle ϕ ОЗ (12) corresponds to the angle ϕ Л (13), i.e. at the time of departure, the Moon-Earth line was in the plane of the initial near-Earth orbit (1), which it would occupy at the time of the spacecraft docking with the OS. This condition determines the duration of the spacecraft in selenocentric orbit. At the same time, for the spacecraft to fly to Earth with minimal fuel costs, it is necessary that the angle ϕ 3 be equal to the optimal ~ 60 ÷ 70 ° at the time of departure, which requires the rotation of the plane of the selenocentric orbit (6) to the angle Δϕ (14).

На фиг. 5 приведена проекция

Figure 00000009
(15) угла ϕ2 (10), образованного линией Луна-Земля (16), обозначаемой ОО', и плоскостью селеноцентрической орбиты (6), обозначаемая линией О'В, на плоскость экватора Земли (17), представленной треугольником КВВ'. Плоскость вращения Луны вокруг Земли (18) близка к плоскости эклиптики и наклонена под углом ε (19) к плоскости экватора Земли. Положение Луны относительно узла Ω определяется углом u (20).In FIG. 5 shows the projection
Figure 00000009
(15) the angle ϕ 2 (10) formed by the Moon-Earth line (16), denoted by ОО ', and the plane of the selenocentric orbit (6), denoted by the line О'В, to the plane of the Earth's equator (17), represented by the triangle of HVE'. The plane of rotation of the Moon around the Earth (18) is close to the plane of the ecliptic and tilted at an angle ε (19) to the plane of the Earth's equator. The position of the moon relative to the node Ω is determined by the angle u (20).

На фиг. 6 представлена схема перехода КА с возвратной траектории (4) за счет последовательных прохождений в атмосфере Земли (21) на исходную орбиту околоземной ОС (1). КА входит в атмосферу Земли со 2-й космической скоростью. После первого торможения КА в атмосфере он переходит на эллиптическую орбиту. Последовательные прохождения атмосферы проводятся до тех пор, пока очередной апогей орбиты не достигнет высоты орбиты орбитальной станции НОС. После чего в апогее орбиты выполняется импульс (22) для окончательного перевода КА на орбиту околоземной ОС с последующей с ней стыковкой.In FIG. Figure 6 shows the spacecraft’s transition from the return trajectory (4) due to successive passes in the Earth’s atmosphere (21) to the initial orbit of the near-Earth OS (1). The spacecraft enters the Earth’s atmosphere with the 2nd space velocity. After the first deceleration of the spacecraft in the atmosphere, it passes into an elliptical orbit. Successive atmospheric passes are carried out until the next apogee of the orbit reaches the orbit height of the orbital station N OS . Then, at the apogee of the orbit, an impulse (22) is performed for the final transfer of the spacecraft to the orbit of the near-Earth OS with subsequent docking with it.

Рассмотрим пример. Пусть V1 - отлетный импульс для перелета к Луне (~3200 м/с), а длительности перелета к Луне t1 и обратно к Земле t3 составляют по 3.5 суток. Примем также, что продолжительность нахождения КА на переходных тормозных эллипсах для согласования высоты орбиты прилета и высоты орбиты ОС t4 - 1.5 суток. Определим по представленной формуле необходимую длительность нахождения на селеноцентрической орбите t2:Consider an example. Let V 1 be the take -off impulse for the flight to the Moon (~ 3200 m / s), and the duration of the flight to the Moon t 1 and back to the Earth t 3 be 3.5 days. We also assume that the duration of the spacecraft on transition brake ellipses for matching the height of the orbit of arrival and the height of the orbit of the OS t 4 - 1.5 days. Let us determine by the presented formula the necessary duration of stay in a selenocentric orbit t 2 :

Figure 00000010
Figure 00000010

Импульс перехода на селеноцентрическую орбиту V2 зависит от параметров этой орбиты. Для экономии топлива желательно перейти на орбиту с как можно более высоким апоселением. Кроме того, поворот плоскости на высокоэллиптической орбите потребует также меньших затрат. Наиболее оптимальным был бы переход на высокоэллиптическую орбиту с периодом, близким к t2. Эта орбита имеет апоселений около 120 тыс.км, но при этом она очень неустойчива и положение ее плоскости подвержено сильному влиянию со стороны гравитационных полей Земли и Солнца. Рассмотрим переход на орбиту с периодом, близким по значению к половине t2, и с апоселением около 55 тыс.км. В этом случае V2~220 м/с.The momentum of the transition to the selenocentric orbit V 2 depends on the parameters of this orbit. To save fuel, it is advisable to go into orbit with the highest possible settlement. In addition, turning the plane in a highly elliptical orbit will also require less cost. The most optimal would be a transition to a highly elliptical orbit with a period close to t 2 . This orbit has a population of about 120 thousand km, but at the same time it is very unstable and the position of its plane is subject to strong influence from the gravitational fields of the Earth and the Sun. Consider the transition to orbit with a period close in value to half t 2 , and with a population of about 55 thousand km In this case, V 2 ~ 220 m / s.

Определим по формуле значение необходимого поворота Δϕ селеноцентрической орбиты:We determine by the formula the value of the required rotation Δϕ of the selenocentric orbit:

Figure 00000011
Figure 00000011

Численный расчет дает значение около 52°, что соответствует необходимости увеличения Δϕ на величину поправочного угла Δϕд~11°. Таким образом, окончательная формула для определения угла поворота плоскости селеноцентрической орбиты имеет вид:A numerical calculation gives a value of about 52 °, which corresponds to the need to increase Δϕ by the value of the correction angle Δϕ d ~ 11 °. Thus, the final formula for determining the angle of rotation of the plane of the selenocentric orbit is:

Figure 00000012
Figure 00000012

Необходимость введения поправочного угла Δϕд возникает вследствие изменения положения плоскости селеноцентрической орбиты из-за влияния Земли и Солнца. Это возмущение тем сильнее, чем более вытянута орбита [2]. Также в угле Δϕд учитывается отличие в значениях углов ϕ3 и ϕ2 от их проекций на плоскость экватора Земли. На фиг. 5 представлена проекция угла

Figure 00000013
, отличающаяся по величине от угла ϕ2, и в качестве примера представлена формула, по которой она определяется, справедливая на интервале ϕ2>u:The need to introduce a correction angle Δϕ d arises due to a change in the position of the plane of the selenocentric orbit due to the influence of the Earth and the Sun. This disturbance is stronger the more extended the orbit [2]. Also, in the angle Δϕ d , the difference in the values of the angles ϕ 3 and ϕ 2 from their projections onto the plane of the Earth's equator is taken into account. In FIG. 5 shows a projection of an angle
Figure 00000013
, differing in magnitude from the angle ϕ 2 , and as an example, the formula is presented by which it is determined, valid on the interval ϕ 2 > u:

Figure 00000014
Figure 00000014

Наиболее оптимальная точка приложения импульса для поворота плоскости в одном из апексов селеноцентрической орбиты относительно экватора Луны. Численный пример показывает, что для орбиты с апоселением около 55 тыс.км поворот плоскости орбиты на угол Δϕ=52° потребует импульса V3~255 м/с.The most optimal point of application of the impulse to rotate the plane in one of the apexes of the selenocentric orbit relative to the equator of the moon. A numerical example shows that for an orbit with a population of about 55 thousand km, turning the plane of the orbit by an angle Δϕ = 52 ° will require a pulse of V 3 ~ 255 m / s.

И, наконец, импульс отлета к Земле с этой высокоэллиптической орбиты составит V4~575 м/с.And, finally, the momentum of departure to Earth from this highly elliptical orbit will be V 4 ~ 575 m / s.

Таким образом, за вычетом отлетного импульса V1 необходимый суммарный импульс для выполнения облета составит:Thus, minus the take-off impulse V 1, the necessary total impulse for performing a flyby will be:

Figure 00000015
Figure 00000015

В случае если селеноцентрическая орбита будет круговой с высотой орбиты около 100 км, то потребуется суммарная скорость VΣ~2750 м/с.If the selenocentric orbit is circular with an orbit height of about 100 km, then the total velocity V Σ ~ 2750 m / s will be required.

Общая продолжительность облета составит:The total duration of the flight will be:

Figure 00000016
Figure 00000016

В целом можно сделать вывод, что предлагаемый способ управления позволит выполнить облет Луны и вернуться на исходную околоземную орбиту с затратами топлива чуть больше 1 км/с.In general, we can conclude that the proposed control method will allow to fly around the moon and return to the initial near-earth orbit with a fuel cost of just over 1 km / s.

Claims (11)

Способ управления космическим аппаратом при облете Луны, включающий приложение к космическому аппарату, находящемуся на исходной околоземной орбите, импульса для перелета к Луне продолжительностью t1, импульса для перехода на селеноцентрическую орбиту, на которой космический аппарат выполняет полет продолжительностью t2, и импульса для обратного перелета к Земле продолжительностью t3, отличающийся тем, что после завершения перелета к Земле космический аппарат возвращают в плоскость исходной околоземной орбиты, для чего определяют продолжительность t2 по формулеA method of controlling a spacecraft during a flyby of the Moon, including applying to a spacecraft in the initial low Earth orbit, an impulse for a flight to the Moon of duration t 1 , an impulse for transition to a selenocentric orbit, in which the spacecraft performs a flight of duration t 2 , and an impulse for the reverse trip to Earth duration t 3, characterized in that after the flight to the spacecraft earth plane is returned to the initial Earth orbit, which define n odolzhitelnost t 2 according to the formula
Figure 00000017
Figure 00000017
где ϕ1 - угол между линией Земля-Луна и плоскостью исходной околоземной орбиты в момент приложения отлетного импульса,where ϕ 1 is the angle between the Earth-Moon line and the plane of the initial near-Earth orbit at the time of application of the take-off pulse, ωОЗ - угловая скорость прецессии плоскости исходной околоземной орбиты,ω ОЗ is the angular velocity of the precession of the plane of the initial near-Earth orbit, ωЛ - угловая скорость вращения Луны относительно Земли,ω L - the angular velocity of rotation of the Moon relative to the Earth, t4 - интервал времени, необходимый для согласования высоты орбиты космического аппарата с высотой исходной околоземной орбиты,t 4 is the time interval necessary for matching the height of the orbit of the spacecraft with the height of the initial near-earth orbit, и в одном из апексов селеноцентрической орбиты к космическому аппарату прикладывают импульс для поворота линии узлов на угол Δϕ в направлении, перпендикулярном плоскости орбиты, определенный по формулеand in one of the apexes of the selenocentric orbit, a pulse is applied to the spacecraft to rotate the line of nodes by an angle Δϕ in the direction perpendicular to the plane of the orbit, determined by the formula
Figure 00000018
Figure 00000018
где ϕ2 - угол между линией Луна-Земля и плоскостью селеноцентрической орбиты в момент прилета космического аппарата к Луне,where ϕ 2 is the angle between the Moon-Earth line and the plane of the selenocentric orbit at the time of the spacecraft’s arrival to the Moon, ϕ3 - угол между линией Луна-Земля и плоскостью селеноцентрической орбиты в момент приложения импульса для обратного перелета к Земле, ϕ 3 is the angle between the Moon-Earth line and the plane of the selenocentric orbit at the time of application of the impulse for the return flight to the Earth, Δϕд - определяемый расчетным путем поправочный угол, парирующий возмущения селеноцентрической орбиты от Земли и Солнца и отличия проекций углов ϕ2 и ϕ3 на плоскость экватора Земли от их истинных значений.Δϕ d is the correction angle determined by calculation, fending off perturbations of the selenocentric orbit from the Earth and the Sun and differences between the projections of the angles ϕ 2 and ϕ 3 on the plane of the Earth's equator from their true values.
RU2015139294A 2015-09-15 2015-09-15 Spacecraft control method for flying around moon RU2614464C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015139294A RU2614464C2 (en) 2015-09-15 2015-09-15 Spacecraft control method for flying around moon

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015139294A RU2614464C2 (en) 2015-09-15 2015-09-15 Spacecraft control method for flying around moon

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015139294A RU2015139294A (en) 2017-03-17
RU2614464C2 true RU2614464C2 (en) 2017-03-28

Family

ID=58454543

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015139294A RU2614464C2 (en) 2015-09-15 2015-09-15 Spacecraft control method for flying around moon

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2614464C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2709951C1 (en) * 2018-12-14 2019-12-23 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Method of controlling movement of a space object during flight from an earth orbit to a moon orbit

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000013971A2 (en) * 1998-06-02 2000-03-16 Galaxy Development Llc Fast resonance shifting as a way to reduce propellant for space mission applications
RU2164880C1 (en) * 1999-11-26 2001-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" Method of injection of satellite into geostationary orbit
EA002665B1 (en) * 1997-04-24 2002-08-29 Галакси Девелопмент, Ллс Satellite inclination changes using weak stability boundaries
RU2219109C2 (en) * 1996-12-31 2003-12-20 Сосьете Насьональ Д'Этюд э де Констрюксьон де Мотер Д'Авиасьон "СНЕКМА" Method of injection of several satellites into noncomplanar orbits by means of lunar gravity force

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2219109C2 (en) * 1996-12-31 2003-12-20 Сосьете Насьональ Д'Этюд э де Констрюксьон де Мотер Д'Авиасьон "СНЕКМА" Method of injection of several satellites into noncomplanar orbits by means of lunar gravity force
EA002665B1 (en) * 1997-04-24 2002-08-29 Галакси Девелопмент, Ллс Satellite inclination changes using weak stability boundaries
WO2000013971A2 (en) * 1998-06-02 2000-03-16 Galaxy Development Llc Fast resonance shifting as a way to reduce propellant for space mission applications
RU2164880C1 (en) * 1999-11-26 2001-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" Method of injection of satellite into geostationary orbit

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
В.И. Левантовский. Механика космического полета в элементарном изложении. М., Наука, 1970, c.219-223. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2709951C1 (en) * 2018-12-14 2019-12-23 Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва" Method of controlling movement of a space object during flight from an earth orbit to a moon orbit

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015139294A (en) 2017-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Heiligers et al. Sunjammer: Preliminary end-to-end mission design
Macdonald et al. Solar sail science mission applications and advancement
US8781741B2 (en) Multi-body dynamics method of generating fuel efficient transfer orbits for spacecraft
Kelly et al. TugSat: removing space debris from geostationary orbits using solar sails
CN107589756B (en) Method for initializing lunar-rushing satellite formation
Macdonald et al. Solar sail mission applications and future advancement
Davis et al. Phase control and eclipse avoidance in near rectilinear halo orbits
Pezent et al. High-fidelity contingency trajectory design and analysis for NASA's near-earth asteroid (NEA) Scout solar sail Mission
US20160376035A1 (en) Efficient stationkeeping design for mixed fuel systems in response to a failure of an electric thruster
Okasha et al. Guidance and control for satellite in-orbit-self-assembly proximity operations
Baldwin et al. Optimal deorbit guidance
RU2614464C2 (en) Spacecraft control method for flying around moon
Dunham et al. New approaches for human deep-space exploration
Franquiz et al. Attitude determination and control system design for a 6u cubesat for proximity operations and rendezvous
Quarta et al. Solar sail capabilities to reach elliptic rectilinear orbits
Herfort et al. Trajectory preparation for the approach of spacecraft rosetta to comet 67p/churyumov-gerasimenko
Macdonald Solar sailing: applications and technology advancement
Bezglasnyi et al. Parametric control of maneuver of a space tether system
Genova Contingency trajectory design for a lunar orbit insertion maneuver failure by the LADEE spacecraft
Gorbunova et al. Control of the spacecraft with a solar sail, performing an interplanetary flight
Gorbunova et al. Complex simulation of the solar sail spacecraft
RU2614446C2 (en) Spacecraft control method for flying around moon
Gong et al. Solar sail transfer trajectory from L1 point to sub-L1 point
RU2562908C2 (en) Method of control over active space object to be docked to passive space object
CN113741551A (en) Overall process trajectory optimization method and device based on proxy model

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner