嫦娥奔月|从地球到月球,每次都走不一样的“路”

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嫦娥奔月|从地球到月球,每次都走不一样的“路”

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转载请注明：【文章转载自公号：中国航天科普（id：space-more）】
    我们知道：
    ·  要使物体绕地球作圆周运动，其速度必须达到7.9千米／秒的第一宇宙速度；
    · 要使物体摆脱地球引力束缚，飞离地球，其速度必须达到11.2千米／秒的第二宇宙速度；
    · 要使物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系，其速度必须达到16.7千米／秒的第三宇宙速度。
   有人可能认为，嫦娥探测器要飞往月球应该达到第二宇宙速度。如果嫦娥探测器以这样大的速度飞向月球，当然是没有问题的。但其实只需用更小的速度，将嫦娥探测器送入远地点为384400千米的椭圆形轨道，就可以使其到达月球了，这是因为月球本身仍然处在地球引力范围之内的缘故。
   经过计算，月球探测器只要在近地点达到10.6千米／秒以上的速度，就可以沿椭圆形轨道飞向月球，这一轨道也叫做地月转移轨道。低于这一速度，嫦娥探测器将无法飞抵月球。
   
   地月之间相隔茫茫38万千米的距离，一般说来，探测器发射升空后，有两种方式飞向月球：
    1 先进入地球近地停泊轨道，在该轨道适当位置加速，飞向月球；
    2  在大气层外加速，直接飞向月球。
   那么，嫦娥探测器又是怎样一步步到达月球的呢？
   嫦娥一号探测器到达月球一共分为三步。
    1调相轨道
   调相轨道是进入地月转移轨道前的一段轨道，它有很大的灵活性，有很多可利用的优点。
   在调相轨道上，技术人员通过提前精确测量和修正轨道，使探测器能够更精确地进入地月转移轨道，从而节省能量，还可以增加发射机会。月球探测器在调相轨道进行若干次加速，就能够达到进入转移轨道所需的速度了。
   嫦娥一号探测器发射升空后，长征三号甲运载火箭将它送入运行周期约为16小时的初始椭圆轨道；随后星箭分离，嫦娥一号探测器先在16小时轨道上运行三圈到达近地点时，进行第一次大的轨道机动，变轨到周期约为24小时的椭圆轨道；在24小时轨道上运行一圈，再次到达近地点时，进行第二次大的轨道机动，变轨到周期约为48小时的椭圆轨道。探测器在这三条调相轨道上共运行约5天，进行三次大的轨道机动，将飞行速度提高到10.6千米/秒，就可以进入地月转移轨道了。
   
   嫦娥一号探测器的三次机动，可以理解为运动员扔铁饼：先转几圈，逐步加速然后再扔出去，从而使铁饼获得最大的飞行速度。
    2地月转移轨道
   地月转移轨道飞行时间一般都是3至5天，飞行时间越短，速度越大，所需要的能量越大。综合考虑了能量以及工程实施中的一系列因素后，嫦娥一号选择了116小时，也就是将近4天20小时的飞行时间。
   
   按照计划，嫦娥一号探测器进入地月转移轨道后，要进行两次中途修正，而在实际飞行过程中，地面控制人员仅用一次修正就达到了预期目标。
    3月球捕获轨道
   嫦娥一号探测器到达近月点时开始减速，慢慢进入最终的预定轨道。第一次减速进入周期12小时的大椭圆轨道，这时近月点速度由2.412千米／秒降到2.0642千米／秒；第二次减速进入3.5小时的小椭圆轨道，近月点速度降到了1.8012千米／秒。第三次减速进入周期127.6分钟的绕月圆轨道，这也是嫦娥一号的使命轨道。至此，嫦娥一号的探月之旅正式拉开了帷幕。
   
   2010年10月1日，嫦娥二号探测器由长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心成功发射。随着技术的发展，与嫦娥一号不同，嫦娥二号发射后没有进入调相轨道，而是直接进入地月转移轨道，这也是我国首次直接进入地月转移轨道的发射任务。
   
   嫦娥二号与火箭分离后，经过了5天的飞行，准确进入了距月面100千米的环月轨道。
   嫦娥三号探测器与嫦娥二号的飞行轨道基本相同，不同的是，嫦娥三号要进行月面软着陆。
   它在环月圆轨道上运行了4天后开始减速，进入了一条近月点为距月面15千米的椭圆轨道，为着陆月球做准备。到达近月点后，嫦娥三号再次开始减速，沿着一条抛物线缓缓降落至月球表面。
   
   作为嫦娥四号的中继卫星，鹊桥号则开辟了一条全新的道路。
   
   鹊桥号与火箭分离后，进入地月转移轨道。经过中途修正，在近月点实施近月制动和月球借力，进入月球至地月L2点的转移轨道。飞行约4天后，鹊桥号到达地月L2点附近，经过多次轨道捕获控制及轨道修正，进入了环绕地月L2点的Halo使命轨道，随即开展在轨测试、天线指向标定和中继通信链路联调。
   
   同样是在月球表面软着陆，嫦娥四号与嫦娥三号的着陆过程却并不相同。
   
   嫦娥三号和嫦娥四号下降过程均可分为着陆准备段、主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段七部分。但由于嫦娥四号着陆区为月球背面，相对嫦娥三号着陆区地形起伏程度明显增加。为了避免地形大范围起伏的影响，与嫦娥三号一边向前一边下降的抛物线形轨迹不同，嫦娥四号在主减速段结束后是垂直向下运动的，这样可以保证高度方向导航结果的正确性，实现安全着陆。
   
   让人惊喜的是，嫦娥四号任务携带的种子在月球上长出了第一片绿叶，我们相信很快就会看到月球上的第一朵花，第一个果实，第一只蚕宝宝……
   
   
   出品/中国航天科普&科普中国
   参考文献:
   [1].冉隆燧.航天工程设计实践[M].北京：中国宇航出版社，2012.
   [2].吴伟仁.奔向月球[M].北京：中国宇航出版社，2015.
   [3].吴伟仁，王琼，唐玉华，等.“嫦娥4号”月球背面软着陆任务设计[J]. 深空探测学报，2017，4（2）：111-117.
   [4]. 李飞，张熇，吴学英，等. 月球背面地形对软着陆探测的影响分析[J]. 深空探测学报，2017，4（2）：143-149.
   文/段婷
   编辑/杨斯爽、贾冰玉
   审校/杨洁
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