综述：月球任务轨迹与轨道：基于实际飞行操作的全面分阶段研究

《Acta Astronautica》：Lunar Mission Trajectories and Orbits: A Comprehensive Phase-by-Phase Survey Based on Real-Flight Operations

月球探测轨迹设计与实施策略研究，系统梳理了涵盖发射转移、轨道获取、科学运行及扩展任务全周期的月球探测轨迹设计方法，对比分析了直接转移、相位环、螺旋转移和变重力转移四种方案的工程特性与实施挑战，总结轨道维持、着陆策略及任务扩展的关键技术路径，为多目标月球任务规划提供理论支撑与实践参考。

　　

宋英珠|李东勋|崔允赫

韩国庆熙大学空间研究院，龙仁市，17104

摘要

近年来，月球探索活动迅速扩展，这得益于各国政府机构和私营部门的共同努力。为了确保任务的成功，了解轨迹设计和操作策略变得至关重要——这些知识是通过过去任务的经验教训发展而来的。本文基于实际飞行操作，对月球任务的轨迹进行了系统的研究，涵盖了从离开地球的月球转移、进入月球轨道、科学轨道运行到任务延期的整个过程。与以往仅关注理论建模、个别任务或有限任务阶段的研究不同，本文提供了分阶段的分析，特别强调了从实际任务操作中获得的经验以及飞行过程中遇到的实际限制。本文比较分析了四种主要的月球转移方法：直接转移、相位环转移、螺旋转移和弹道转移，在设计和操作权衡以及实施挑战方面进行了探讨。同时，还研究了轨道器和着陆器的月球轨道获取策略，包括轨道维持策略以及着陆器的下降方式（如直接动力下降和分阶段轨道降低）。特别关注了任务延期阶段，包括在月球轨道上的持续运行以及向月球以外目标过渡的情况。这项综合调查旨在为任务设计者、操作者和规划者提供实用的见解和战略参考，以开发出可靠且经过飞行验证的轨迹、轨道和操作方案，用于未来的月球探索。

引言

近年来，月球探索再次引起了全球的关注，这既源于科学上的追求，也出于战略目标。自20世纪中叶以来，各种任务极大地提高了我们对月球表面组成、引力场及其未来人类居住潜力的理解。早期的努力，如美国的阿波罗计划和苏联的月球系列任务，为探索地月空间和月球环境奠定了技术和科学基础。最近，中国的嫦娥系列任务[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]以及印度的月船任务[8]、[9]、[10]扩展了月球活动的范围，更加注重持续探索和就地资源利用。

与早期由单个国家独立进行的任务不同，当前的月球活动特点是国际合作取得了显著进展。这一转变体现在诸如阿尔忒弥斯协议[11]和拟议中的ILRS[12]等倡议上，这些倡议促进了多国合作。阿尔忒弥斯协议由美国主导，旨在建立月球探索的合作原则，并推动人类重返月球，同时规划长期居住基础设施。与此同时，中国和俄罗斯也通过ILRS共同追求各自的月球目标，其目标与阿尔忒弥斯计划相似。此外，私营公司的参与为月球探索增添了新的动力。SpaceX、Blue Origin和Astrobotic等商业实体正在积极开发月球着陆器、运输系统和运营基础设施。随着政府和私营部门活动的加速，当前的月球探索热潮类似于20世纪60年代的太空竞赛。然而，与冷战时期的太空竞赛主要关注国家声望不同，当前的月球任务还受到科学目标、技术发展和商业利益的驱动。随着各国和私营公司之间竞争与合作关系的增强，预计未来十年月球探索将显著加速。为了确保这些多样化任务的成功和效率，到达月球并在月球周围运行的方法不断得到改进。任务设计中的一个关键要素是选择合适的地月转移轨迹和月球轨道，这些轨迹和轨道必须符合特定的科学和操作目标，同时满足任务限制。每个任务都采用了不同的方法，这取决于其目标、推进系统能力和操作要求。常见的月球转移方法包括直接转移、相位环转移、螺旋轨迹和弹道转移（BLT），每种方法在旅行时间、燃料消耗、操作复杂性和风险方面都有各自的权衡。同样，进入月球轨道（LOA）和选择任务轨道的策略也因预期的科学任务、资源勘探目标或人类着陆目标而异。

随着各国和私营公司积极参与月球探索，轨迹和轨道设计、任务轨道选择以及高效操作规划的重要性日益凸显。尽管有许多研究探讨了月球任务的轨迹和轨道设计，但大多数研究要么从理论角度出发，要么基于实际任务时仅关注单一任务或该任务的特定阶段。一些综述和调查论文推动了月球轨迹设计领域的发展，但大多数仅限于特定阶段或方法论领域。有些研究侧重于建模不同的地月转移策略，如直接转移、低能耗轨迹和低推力方法，主要强调其理论公式，而很少讨论其在实际任务操作或飞行适应中的应用[13]。其他研究深入探讨了WSB转移的数学基础和优化技术以及基于流形的设计，但这些研究通常与实际轨道操作脱节[14]。一些研究对BLT进行了分类或提出了低能耗着陆策略，但这些研究也仅限于分析性讨论，与实际实施联系较少[15]、[16]。还有一些调查探索了地月摆动点轨道并分析了轨道保持策略，但没有提及其在实际飞行操作中的应用[17]。相比之下，一些综述利用过去任务的跟踪数据研究了轨道精度的演变，但主要集中在特定任务中的改进技术上[18]。最后，某些研究讨论了人类月球着陆的中止轨迹策略，但这些研究主要集中在应急计划上，而非其他任务阶段[19]。

尽管有这些宝贵的贡献，但目前仍缺乏一项全面追踪实际月球任务整个轨迹序列的调查。大多数现有研究仅关注特定任务阶段或理论建模，对在实际操作限制下的经验教训了解有限。本文旨在通过基于历史和近期月球任务的实际飞行经验，提供系统的分阶段分析，探讨轨迹和轨道设计策略及其各自的优缺点和操作实施。分析涵盖了从离开地球和月球转移、进入月球轨道、科学轨道运行到着陆策略的整个任务时间线。特别关注了主要任务阶段之后的任务延期操作，强调了实际任务如何适应燃料限制、新定义的任务目标以及在这些额外操作中遇到的挑战及其缓解措施。本文不仅比较了不同的轨迹设计方法，还将实际任务中观察到的操作见解、任务限制和设计权衡综合在一起。通过结合多种经过飞行验证的案例，本文为未来的月球轨迹设计和任务操作规划提供了实用的指导和有价值的参考。本文的分阶段比较调查有望支持参与准备和执行实际月球飞行操作的任务设计者、操作者和规划者。文章结构如下：第2节回顾了主要的月球任务，强调了近期任务尝试的激增以及不同类型任务（包括轨道器、着陆器和探测器）的轨迹和轨道设计策略的演变。第3节详细调查了实际飞行操作中使用的轨迹和轨道。第3.1小节将月球转移策略分为四种类型（直接转移、相位环转移、螺旋转移和BLT），并分析了各自的权衡和操作限制。第3.2小节讨论了进入月球轨道（LOA）和操作策略，重点关注轨道器和着陆器任务之间的差异。对于轨道器，研究了科学轨道设计和维护策略以及遇到的操作限制。对于着陆器，比较分析了直接动力下降和分阶段轨道降低等下降和接近策略。第4节讨论了任务延期操作，研究了任务在完成主要目标后如何进入次要阶段。分析了在月球轨道上的扩展操作以及超出月球影响范围的任务。第5节总结了研究结果及其对未来月球任务设计和操作的启示。

节选

历史月球任务

根据NASA的数据库[20]、[21]，自1958年首次月球任务以来，共有119次尝试探索月球。其中，65次任务完全成功，10次部分成功，44次失败，整体成功率约为54.62%。美国和前苏联历史上一直领导着这些努力，两国至今各自进行了49次任务。月球探索的早期里程碑包括美国的...

直接转移

直接转移是将航天器从地球发送到月球的最常用方法之一。这种方法涉及一次月球转移轨道插入（TLI）机动，使航天器进入近乎霍曼型（Hohmann-type）的轨迹，从而能够直接到达月球[45]。它最小化了旅行时间，通常允许在三天到四天内到达月球，尽管根据液体推进器（LV）的性能，有时甚至可以在两天内到达。这使得直接转移特别适合载人任务...

延长任务轨迹和实际飞行操作

在第3节描述的完成主要科学目标后，许多月球任务进入了旨在最大化科学回报和操作经验的延长阶段。这些扩展任务通过实现新的目标，在科学和技术上具有重大价值，同时对航天器的健康影响最小...

结论

本文基于实际飞行操作，对月球任务的轨迹和轨道策略进行了系统的分阶段分析。通过研究月球转移、进入月球轨道、科学轨道运行、下降和着陆策略以及任务延期阶段，本文重点关注了轨迹设计是如何在实际操作限制下实施和调整的，而不是基于理想化的假设。

通过对调查任务的分析，可以看出...

作者贡献声明

崔允赫：撰写——审稿与编辑、调查。李东勋：撰写——审稿与编辑、可视化、资源收集、调查。宋英珠：撰写——初稿撰写、可视化、资源收集、项目管理、调查、概念化

数据可用性

本文所述研究未使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）下属的BK21 FOUR项目的支持，该项目由教育部（Kyung Hee University，下一代空间探索人类教育团队）资助。