关于最佳轨道引论(43)

竺雪君，竺苗龙

(青岛大学数学与统计学院，青岛266071)

1 关于斜飞的几条较好轨道

正飞最短飞行距离轨道载人来回之一是12个月。地、火间飞6个月，返回也是6个月，这以前讨论过。斜飞若11个月，地、火间飞6个月，返回飞5个月；斜飞若10个月，地、火间飞6个月，返回飞4个月；斜飞若9个月，地、火间飞5个月，返回飞4个月；………，如图1所示。

这里不但来回时间减少了，而且还有两个优势:

(1)顺风顺水的距离长些，返回时可充分利用太阳等的引力(包括来回的第一子弧充分利用地火绕日运行的速度)等等；

(2)飞行距离也增加不多，动力要求也提高不多，但来回时间比一年明显减少了。

所以上述轨道在目前情况下，成功希望较大。至于在火星上停留时间等可像以前一样计算。

以前讲了，若动力再提高，可进行6个月等等的来回飞行(地、火间飞4个月，返回飞2个月等等)，但这类飞行对动力要求显然较高，飞行距离也显然较大(当然比霍曼过渡的来回飞行距离是少了)。

所以上述斜飞轨道可能就有参考价值。效果到底如何? 仿真后会知道。当然随着时间的进展，人们肯定还会想出各种更好的轨道来。这一点，人们是有信心的。

2 关于第三版前言

中国宇航出版社明年要出《关于太阳系中大星体间优化飞行的初步理论探讨》的第三版。这本书的第三版，除对第二版内容简介中的两句话改成第三版的形式，其它第二版的内容都没有动，但增加了四个新的附录。这样对太阳系中大星体之间的载人来回优化飞行的探讨，从目前情况来看比以前更全面。

太阳系中大星体间的优化飞行轨道是由子弧的优化和拼接的优化两方面组成的，这是绕地飞行航天器的最佳发射轨道理论(包括返回中的一个优化问题)的推广。载人登月，因为根据目前工程上能做到的大致是一周左右来回飞行，所以考虑的优化指标是省能量第一、省时间第二。书中所述的两条子弧的优化和拼接的优化，经过西北工业大学航天学院张科、谭明虎等同志很好的仿真，得到了比阿波罗原来登月更省能量且令人满意的数值(详细可见仿真报告)。这里实际上是把来回飞行的时间也考虑进去了，虽然不放在第一位。

而去其它行星，书中主要讲的是去火星(因为去其它行星的探讨是类似的)。此处提出的优化指标首先是来回时间最短，而把省能量放在第二位。这时除在霍曼过渡的基础上提出霍曼过渡上的优化轨道外，还提出了最短飞行距离的轨道等，希望对载人飞行而言，一年能来回，半年能来回……等等。特别是一年左右的地、火间载人来回，这是比较现实的；而再省点时间进行地、火间载人来回，也是可以争取的。当然这些来回对动力的要求是要提高了。我们研究了这么多年的多级火箭的结构参数优化理论，对太阳系中飞行的要求的速度，是有信心的。

由于可供选择的轨道类型的增加，两次发射的时间间隔可大大缩短、甚至为0。例如先进行最短飞行距离的一年左右来回飞行，然后马上转入一年左右来回的优化霍曼轨道飞行，这样两次发射的时间间隔就大大缩短了。这与同种类型上的轨道飞行是不同的，它们的时间间隔要两年多。另外，如果一年左右，若在最短飞行距离上的优化飞行，例如370天飞行，那么去时因为逆向，可以花190天；回时因为顺向，可能180天，但总数370天不能改变。对于已计划好的火星上的工作时间和对应的飞行时间，总数370不能变，除非采取斜飞等补救措施，而且在这最短飞行距离上的斜飞其11个月、10个月、9个月等等的来回飞行轨道也是较好的。但这些都不是最短飞行距离上的优化飞行了。其它飞行天数上的来回飞行，也是这么要求的。当然利用引力球的理论及斜飞等，从工程角度看，适当的误差也是可以的。

至于地、火间优化飞行轨道的组成，则是由三段子弧组成，仍存在一个子弧的优化和拼接的优化问题。但在地、火间优化飞行时(去其它行星间的优化飞行也如此)，指标是来回时间最短、省能量第二，所以这时三段子弧优化设计时，特别是中间那段子弧优化设计时，跟首尾两段子弧加起来的飞行时间要符合原来设计的来回飞行时间。例如来回设计为370天，那就得370天。每个子弧飞多久可以优化选择，但三段子弧加起来的总来、回飞行时间一定要符合要求的天数。这实际上是又增加了一个约束。至于工程上的适当误差，上面已讲，可以允许。

这里讲的优化飞行，都跟轨道的优化设计有关。但是以前再三提出，整个的飞行优化除了跟轨道的优化设计有关外，还跟火箭的优化设计和使用优化有关。在太阳系中的大星体间优化飞行中也是如此，也要跟多级火箭的结构参数的优化结合起来。过去讲绕地飞行航天器的最佳发射轨道理论时是如此，后来讲奔月的优化飞行时也是如此，现在讲太阳系中的大星体间优化飞行还是如此。为了突出这个重点，专门写了附录VIIII:例如，阿波罗奔月及将来若用长征5号火箭(胖5)奔月，在火箭的优化设计和优化使用上也是不一样的。所以考虑了轨道的优化，确实可以省能量；但若把火箭的优化设计和优化使用也考虑进去，那么效益就会更好! 好多少? 需要仿真做出回答。

以上就是这本书上所说的地、火间来回飞行多、快、省的主要意思。飞向其它行星的来回飞行也能如此做。既然上述方法比以前的方法多、快、省，则是比较好的方法。这就是为什么说要多、快、好、省地去开发、改造、利用火星或其它行星。

对于目前的实际情况而言，要飞向太阳系外其它恒星系中的类地行星，最有希望的是借助新型的推力更大、推力时间更长的小推力火箭组合体。利用推力时间长的优势来达到接近光速的速度，然后利用相对论效应，从而希望达到载人来回飞行的目的。要考虑的问题当然很多，例如，加速时间、减速时间等等。但从目前情况来看，首要考虑的是来回时间要满足载人飞行的要求。至于不载人的飞行，例如仅仅是先期的探测，时间可以放宽些；而载人飞行的来回飞行时间当然是越少越好，所以优化的指标根据不同情况是不一样的。过去研究绕地飞行时，发射轨道的优化指标是省能量；后来研究奔月，载人来回的优化指标是省能量第一、来回飞行时间第二；进入到太阳系中飞向其它行星时，则是要多、快、好、省了。而飞向其它恒星上的类地行星时，目前追求的又是把来回飞行时间越少越好放在第一位，其它的放在后面了。情况不一样，人们要求的指标也会不一样。

以上就是这本小书所涉及的一些主要内容，更多的内容要阅读正文。我们十几个人，花了几十年时间，发表了一百余篇论文及十几本书，但是主要内容，就在这本书的第三版及《多级火箭的结构参数优化理论》、《绕地飞行航天器最佳发射理论及其它问题的研究》、《关于高速飞行和飞出太阳系个别问题的初步理论探讨》这四本书中(这四本书有些内容为了需要而有所重复)。至于这十几个合作者的工作及姓名等，我们已讲了多次，这次不再重复了。特意重提，就是不要忘记人家，因为事情就是大家一起干的。特别是前后三个仿真的六位同志，更是不能忘记。最后，本书中所有结果除了特别指出的以外，都是我们自己的科研成果。读者若发现有人比我们早发表的，请告诉我们以便改正。

上述内容若有不当之处，恳请读者特别是同行多多指正。这是对我们最大的帮助，我们真心期待着。