竺雪君，竺苗龍

(青島大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，青島266071)

1 關(guān)于斜飛的幾條較好軌道

正飛最短飛行距離軌道載人來回之一是12個(gè)月。地、火間飛6個(gè)月，返回也是6個(gè)月，這以前討論過。斜飛若11個(gè)月，地、火間飛6個(gè)月，返回飛5個(gè)月；斜飛若10個(gè)月，地、火間飛6個(gè)月，返回飛4個(gè)月；斜飛若9個(gè)月，地、火間飛5個(gè)月，返回飛4個(gè)月；………，如圖1所示。

這里不但來回時(shí)間減少了，而且還有兩個(gè)優(yōu)勢:

(1)順風(fēng)順?biāo)木嚯x長些，返回時(shí)可充分利用太陽等的引力(包括來回的第一子弧充分利用地火繞日運(yùn)行的速度)等等；

(2)飛行距離也增加不多，動力要求也提高不多，但來回時(shí)間比一年明顯減少了。

所以上述軌道在目前情況下，成功希望較大。至于在火星上停留時(shí)間等可像以前一樣計(jì)算。

以前講了，若動力再提高，可進(jìn)行6個(gè)月等等的來回飛行(地、火間飛4個(gè)月，返回飛2個(gè)月等等)，但這類飛行對動力要求顯然較高，飛行距離也顯然較大(當(dāng)然比霍曼過渡的來回飛行距離是少了)。

所以上述斜飛軌道可能就有參考價(jià)值。效果到底如何? 仿真后會知道。當(dāng)然隨著時(shí)間的進(jìn)展，人們肯定還會想出各種更好的軌道來。這一點(diǎn)，人們是有信心的。

2 關(guān)于第三版前言

中國宇航出版社明年要出《關(guān)于太陽系中大星體間優(yōu)化飛行的初步理論探討》的第三版。這本書的第三版，除對第二版內(nèi)容簡介中的兩句話改成第三版的形式，其它第二版的內(nèi)容都沒有動，但增加了四個(gè)新的附錄。這樣對太陽系中大星體之間的載人來回優(yōu)化飛行的探討，從目前情況來看比以前更全面。

太陽系中大星體間的優(yōu)化飛行軌道是由子弧的優(yōu)化和拼接的優(yōu)化兩方面組成的，這是繞地飛行航天器的最佳發(fā)射軌道理論(包括返回中的一個(gè)優(yōu)化問題)的推廣。載人登月，因?yàn)楦鶕?jù)目前工程上能做到的大致是一周左右來回飛行，所以考慮的優(yōu)化指標(biāo)是省能量第一、省時(shí)間第二。書中所述的兩條子弧的優(yōu)化和拼接的優(yōu)化，經(jīng)過西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院張科、譚明虎等同志很好的仿真，得到了比阿波羅原來登月更省能量且令人滿意的數(shù)值(詳細(xì)可見仿真報(bào)告)。這里實(shí)際上是把來回飛行的時(shí)間也考慮進(jìn)去了，雖然不放在第一位。

而去其它行星，書中主要講的是去火星(因?yàn)槿テ渌行堑奶接懯穷愃频?。此處提出的優(yōu)化指標(biāo)首先是來回時(shí)間最短，而把省能量放在第二位。這時(shí)除在霍曼過渡的基礎(chǔ)上提出霍曼過渡上的優(yōu)化軌道外，還提出了最短飛行距離的軌道等，希望對載人飛行而言，一年能來回，半年能來回……等等。特別是一年左右的地、火間載人來回，這是比較現(xiàn)實(shí)的；而再省點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行地、火間載人來回，也是可以爭取的。當(dāng)然這些來回對動力的要求是要提高了。我們研究了這么多年的多級火箭的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化理論，對太陽系中飛行的要求的速度，是有信心的。

由于可供選擇的軌道類型的增加，兩次發(fā)射的時(shí)間間隔可大大縮短、甚至為0。例如先進(jìn)行最短飛行距離的一年左右來回飛行，然后馬上轉(zhuǎn)入一年左右來回的優(yōu)化霍曼軌道飛行，這樣兩次發(fā)射的時(shí)間間隔就大大縮短了。這與同種類型上的軌道飛行是不同的，它們的時(shí)間間隔要兩年多。另外，如果一年左右，若在最短飛行距離上的優(yōu)化飛行，例如370天飛行，那么去時(shí)因?yàn)槟嫦?，可以?90天；回時(shí)因?yàn)轫樝?，可?80天，但總數(shù)370天不能改變。對于已計(jì)劃好的火星上的工作時(shí)間和對應(yīng)的飛行時(shí)間，總數(shù)370不能變，除非采取斜飛等補(bǔ)救措施，而且在這最短飛行距離上的斜飛其11個(gè)月、10個(gè)月、9個(gè)月等等的來回飛行軌道也是較好的。但這些都不是最短飛行距離上的優(yōu)化飛行了。其它飛行天數(shù)上的來回飛行，也是這么要求的。當(dāng)然利用引力球的理論及斜飛等，從工程角度看，適當(dāng)?shù)恼`差也是可以的。

至于地、火間優(yōu)化飛行軌道的組成，則是由三段子弧組成，仍存在一個(gè)子弧的優(yōu)化和拼接的優(yōu)化問題。但在地、火間優(yōu)化飛行時(shí)(去其它行星間的優(yōu)化飛行也如此)，指標(biāo)是來回時(shí)間最短、省能量第二，所以這時(shí)三段子弧優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，特別是中間那段子弧優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，跟首尾兩段子弧加起來的飛行時(shí)間要符合原來設(shè)計(jì)的來回飛行時(shí)間。例如來回設(shè)計(jì)為370天，那就得370天。每個(gè)子弧飛多久可以優(yōu)化選擇，但三段子弧加起來的總來、回飛行時(shí)間一定要符合要求的天數(shù)。這實(shí)際上是又增加了一個(gè)約束。至于工程上的適當(dāng)誤差，上面已講，可以允許。

這里講的優(yōu)化飛行，都跟軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)有關(guān)。但是以前再三提出，整個(gè)的飛行優(yōu)化除了跟軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)有關(guān)外，還跟火箭的優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用優(yōu)化有關(guān)。在太陽系中的大星體間優(yōu)化飛行中也是如此，也要跟多級火箭的結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)合起來。過去講繞地飛行航天器的最佳發(fā)射軌道理論時(shí)是如此，后來講奔月的優(yōu)化飛行時(shí)也是如此，現(xiàn)在講太陽系中的大星體間優(yōu)化飛行還是如此。為了突出這個(gè)重點(diǎn)，專門寫了附錄VIIII:例如，阿波羅奔月及將來若用長征5號火箭(胖5)奔月，在火箭的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化使用上也是不一樣的。所以考慮了軌道的優(yōu)化，確實(shí)可以省能量；但若把火箭的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化使用也考慮進(jìn)去，那么效益就會更好! 好多少? 需要仿真做出回答。

以上就是這本書上所說的地、火間來回飛行多、快、省的主要意思。飛向其它行星的來回飛行也能如此做。既然上述方法比以前的方法多、快、省，則是比較好的方法。這就是為什么說要多、快、好、省地去開發(fā)、改造、利用火星或其它行星。

對于目前的實(shí)際情況而言，要飛向太陽系外其它恒星系中的類地行星，最有希望的是借助新型的推力更大、推力時(shí)間更長的小推力火箭組合體。利用推力時(shí)間長的優(yōu)勢來達(dá)到接近光速的速度，然后利用相對論效應(yīng)，從而希望達(dá)到載人來回飛行的目的。要考慮的問題當(dāng)然很多，例如，加速時(shí)間、減速時(shí)間等等。但從目前情況來看，首要考慮的是來回時(shí)間要滿足載人飛行的要求。至于不載人的飛行，例如僅僅是先期的探測，時(shí)間可以放寬些；而載人飛行的來回飛行時(shí)間當(dāng)然是越少越好，所以優(yōu)化的指標(biāo)根據(jù)不同情況是不一樣的。過去研究繞地飛行時(shí)，發(fā)射軌道的優(yōu)化指標(biāo)是省能量；后來研究奔月，載人來回的優(yōu)化指標(biāo)是省能量第一、來回飛行時(shí)間第二；進(jìn)入到太陽系中飛向其它行星時(shí)，則是要多、快、好、省了。而飛向其它恒星上的類地行星時(shí)，目前追求的又是把來回飛行時(shí)間越少越好放在第一位，其它的放在后面了。情況不一樣，人們要求的指標(biāo)也會不一樣。

以上就是這本小書所涉及的一些主要內(nèi)容，更多的內(nèi)容要閱讀正文。我們十幾個(gè)人，花了幾十年時(shí)間，發(fā)表了一百余篇論文及十幾本書，但是主要內(nèi)容，就在這本書的第三版及《多級火箭的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化理論》、《繞地飛行航天器最佳發(fā)射理論及其它問題的研究》、《關(guān)于高速飛行和飛出太陽系個(gè)別問題的初步理論探討》這四本書中(這四本書有些內(nèi)容為了需要而有所重復(fù))。至于這十幾個(gè)合作者的工作及姓名等，我們已講了多次，這次不再重復(fù)了。特意重提，就是不要忘記人家，因?yàn)槭虑榫褪谴蠹乙黄鸶傻?。特別是前后三個(gè)仿真的六位同志，更是不能忘記。最后，本書中所有結(jié)果除了特別指出的以外，都是我們自己的科研成果。讀者若發(fā)現(xiàn)有人比我們早發(fā)表的，請告訴我們以便改正。

上述內(nèi)容若有不當(dāng)之處，懇請讀者特別是同行多多指正。這是對我們最大的幫助，我們真心期待著。