嫦娥五號今年擇機發射，「嫦娥姐姐們」是如何奔月的？

最新 06-09

作者：余菲（中國科學院光電技術研究所）

編者按：

今年是嫦娥一號探測器登月10周年，據新華社近日的消息，我國將於今年擇機發射嫦娥五號月球探測器，它將著陸在月球正面的呂姆克山脈，開展相應的科學研究。

從嫦娥一號到嫦娥五號，中國人的「奔月」夢想一步步深入，關於月球探測器的運行軌道，你了解多少？這其中又有什麼科學考量？讓我們通過一篇小文了解一下。

近年來，我國空間探測發展加快了步伐，不斷刷新探索宇宙深空的「中國高度」，並計劃在2020年探測火星。為了讓大家更多地了解我國空間探測方面的成就，下面我們先來了解下嫦娥軌道設計相關的問題。

嫦娥一號衛星

嫦娥一號發射時，衛星並非直接通過加速進入地月轉移軌道段，而是要繞著地球進行三次軌道機動。第一次在近地點點火，將近地點高度抬高到600km，這時軌道周期變為16h，在16h周期軌道上運動三圈後，衛星再在近地點第二次點火變軌，將軌道周期變為24h，在此軌道上運行一圈至三圈後，再次到達近地點，衛星進行第三次點火變軌，將軌道周期變為48h。

嫦娥一號衛星飛行過程平面示意圖

衛星繞著地球進行三次變軌，被稱為調相軌道。衛星在調相軌道運行結束到達最後一個近地點時再作一次大的軌道機動，使衛星進入地月轉移軌道。隨後衛星將沿著這條轉移軌道飛向月球，飛行114h後到達近月點。為了使其變為繞月飛行的月球衛星，還需在近月點作三次減速機動，機動後的軌道周期相繼是12h、315h和127min。

大家也許納悶嫦娥一號為什麼不一口氣從地球飛向月球去，而是要繞這些「彎彎繞」呢。關於嫦娥一號以及嫦娥二號、三號，想必你一定有許多疑問，別急，我們一個一個解答。

衛星的調相軌道三維圖形

問題1：調相軌道的方法只有這一種嗎？為什麼要用這一種？

調相軌道的目的是為進入地月轉移軌道做準備，方法有多種。最簡單的就是在近地點後一次直接加速進入到地月轉移軌道上。為什麼沒有採用這種簡單的方法呢？

原因之一是為了節省燃料。如果嫦娥一號直接飛往地月轉移軌道需要更多的燃料以獲取更大的推動力。

原因之二是將幾次近地點機動安排在同一地區方便變軌的實施，有利於地面監測。

原因之三是由於調相軌道中有24h的軌道可以方便不同日期發射衛星。

地球和月球有相對運動，而且地球本身有自轉，如果想要直接飛上月球而不變軌就必須得計算出一個發射角度和發射時間，受氣流等因素的影響，我們的火箭不容易完全按指定的時間一秒不差的發射，在地球上也許只是偏差一點，但相隔幾十萬公里之後這個偏差有多大呢？

問題2：地月轉移軌道飛行時間為什麼是114h？

地月轉移軌道飛行時間一般為3天到5天，飛行時間越短所需要的能量越大，衛星在近地點時飛行速度就要求越大，當到達月球預定軌道的近月點時制動力量就越大，換句話說相當於汽車在剎車時要求的力越大，風險也越大。

為了衛星安全的進入繞月軌道，我們選用了最小能量的軌道，其飛行時間為5天（120h），為避免衛星到達近月點時的軌道被月球遮擋，便於我國觀測站對軌道機動的觀測和控制，將飛行時間縮短6小時，因此地月轉移軌道最終的飛行時間為114h。

問題3：為什麼繞月的軌道平均高度設計為200km?

為了儘可能對全月面進行探測，特別是對月球南北兩極進行探測，嫦娥一號的工作軌道選擇了繞月極軌道。為使嫦娥一號在繞月軌道上任何一處的位置都對月面拍照，並具有相同的解析度，軌道高度要求保持穩定，因此選擇的工作軌道是圓軌道。

以月球為中心繞月軌道三維圖形

同時，雖然月球表面沒有大氣層消耗軌道的能量，但是月球引力場的特殊性，會導致近月點高度較低的衛星軌道變化較大，導致衛星慢慢地被月球引力吸引，致使墜落在月球上。衛星繞月的軌道在200km高度上時，運行所需能量最少,即使不進行軌道控制，也不會掉在月球上, 發射和變軌過程風險最低。

問題4：在嫦娥一號飛行的三個軌道段計算考慮的引力場有什麼變化？

根據衛星軌道高度的不同，其受到的引力場也會有變化。

在調相軌道階段，軌道周期為16h和24h時，衛星主要受到地球引力場的影響，在軌道計算中忽略太陽、月亮引力作用，當軌道周期為48h時，不僅考慮地球引力場的作用，還要考慮太陽、月亮的引力作用，但此時的地球引力場作用比24h小得多。

在地月轉移軌道階段，同樣不僅要考慮地球對衛星的應力，同時要考慮月球、太陽對衛星的影響，當然此時地球的引力場也不同於48h。

在環月軌道上，衛星主要受到月球質心引力的影響，將衛星繞月運動考慮為簡單的二體運動，忽略太陽和地球的影響。

三個軌道段三維圖形

問題5：嫦娥三號，嫦娥二號的軌道相對於嫦娥一號是否有改進？主要突破了哪些難題？

嫦娥二號作為嫦娥三號的先導星，根據嫦娥一號的技術積累，有所改進。

嫦娥二號衛星飛行平面示意圖

一方面開闢了新地月之間的「直航航線」，也就是說，直接將嫦娥二號發射至地月轉移軌道上，待幾次中途修正和近月制動後，就進入繞月軌道。嫦娥一號從發射到進入環月軌道約13d14h19min，而嫦娥二號的地月飛行時間縮短至112h。

另一方面繞月軌道比嫦娥一號距月表更低，從200km降低到100km的極軌軌道，在100千米高度用高解析度CCD相機，拍攝了國際上解析度最高的7米解析度全月圖，並成功進行嫦娥三號的降落100kmx15km軌道嘗試，變軌到100千米×15千米軌道，在18.7千米高度拍攝了1.3解析度米的虹灣局部影像圖，為嫦娥三號的成功著陸打下堅實基礎。嫦娥三號的飛行軌道除了降落段外，其餘基本與嫦娥二號相似。