嫦娥五号今年择机发射 “嫦娥姐姐们”如何奔月的？

　　来源：科学大院公众号
　　编者按：
　　今年是嫦娥一号探测器登月10周年，据新华社近日的消息，我国将于今年择机发射嫦娥五号月球探测器，它将着陆在月球正面的吕姆克山脉，开展相应的科学研究。
　　从嫦娥一号到嫦娥五号，中国人的“奔月”梦想一步步深入，关于月球探测器的运行轨道，你了解多少？这其中又有什么科学考量？让我们通过一篇小文了解一下。

　　近年来，我国空间探测发展加快了步伐，不断刷新探索宇宙深空的“中国高度”，并计划在2020年探测火星。为了让大家更多地了解我国空间探测方面的成就，下面我们先来了解下嫦娥轨道设计相关的问题。

嫦娥一号卫星

　　嫦娥一号卫星于2007年10月24日被长征三号运载火箭送入近地点高度200km，远地点高度51000km的轨道上，轨道周期为15.81h。其主要科学目标是获取月球表面的三维影像，分析月球表面的有用元素及物质类型的含量和分布，探测月壤的厚度，探测地月空间环境，其整个飞行过程可分为三个轨道段：环绕地球飞行轨道段（又称调相轨道段）、地月转移轨道段、环绕月球飞行轨道段。
　　嫦娥一号发射时，卫星并非直接通过加速进入地月转移轨道段，而是要绕着地球进行三次轨道机动。第一次在近地点点火，将近地点高度抬高到600km，这时轨道周期变为16h，在16h周期轨道上运动三圈后，卫星再在近地点第二次点火变轨，将轨道周期变为24h，在此轨道上运行一圈至三圈后，再次到达近地点，卫星进行第三次点火变轨，将轨道周期变为48h。

嫦娥一号卫星飞行过程平面示意图

　　卫星绕着地球进行三次变轨，被称为调相轨道。卫星在调相轨道运行结束到达最后一个近地点时再作一次大的轨道机动，使卫星进入地月转移轨道。随后卫星将沿着这条转移轨道飞向月球，飞行114h后到达近月点。为了使其变为绕月飞行的月球卫星，还需在近月点作三次减速机动，机动后的轨道周期相继是12h、315h和127min。
　　大家也许纳闷嫦娥一号为什么不一口气从地球飞向月球去，而是要绕这些“弯弯绕”呢。关于嫦娥一号以及嫦娥二号、三号，想必你一定有许多疑问，别急，我们一个一个解答。

卫星的调相轨道三维图形

　　问题1：调相轨道的方法只有这一种吗？为什么要用这一种？
　　调相轨道的目的是为进入地月转移轨道做准备，方法有多种。最简单的就是在近地点后一次直接加速进入到地月转移轨道上。为什么没有采用这种简单的方法呢？
　　原因之一是为了节省燃料。如果嫦娥一号直接飞往地月转移轨道需要更多的燃料以获取更大的推动力。
　　原因之二是将几次近地点机动安排在同一地区方便变轨的实施，有利于地面监测。
　　原因之三是由于调相轨道中有24h的轨道可以方便不同日期发射卫星。
　　地球和月球有相对运动，而且地球本身有自转，如果想要直接飞上月球而不变轨就必须得计算出一个发射角度和发射时间，受气流等因素的影响，我们的火箭不容易完全按指定的时间一秒不差的发射，在地球上也许只是偏差一点，但相隔几十万公里之后这个偏差有多大呢？
　　问题2：地月转移轨道飞行时间为什么是114h？
　　地月转移轨道飞行时间一般为3天到5天，飞行时间越短所需要的能量越大，卫星在近地点时飞行速度就要求越大，当到达月球预定轨道的近月点时制动力量就越大，换句话说相当于汽车在刹车时要求的力越大，风险也越大。
　　为了卫星安全的进入绕月轨道，我们选用了最小能量的轨道，其飞行时间为5天（120h），为避免卫星到达近月点时的轨道被月球遮挡，便于我国观测站对轨道机动的观测和控制，将飞行时间缩短6小时，因此地月转移轨道最终的飞行时间为114h。
　　问题3：为什么绕月的轨道平均高度设计为200km？
　　为了尽可能对全月面进行探测，特别是对月球南北两极进行探测，嫦娥一号的工作轨道选择了绕月极轨道。为使嫦娥一号在绕月轨道上任何一处的位置都对月面拍照，并具有相同的分辨率，轨道高度要求保持稳定，因此选择的工作轨道是圆轨道。

以月球为中心绕月轨道三维图形

　　同时，虽然月球表面没有大气层消耗轨道的能量，但是月球引力场的特殊性，会导致近月点高度较低的卫星轨道变化较大，导致卫星慢慢地被月球引力吸引，致使坠落在月球上。卫星绕月的轨道在200km高度上时，运行所需能量最少，即使不进行轨道控制，也不会掉在月球上， 发射和变轨过程风险最低。
　　问题4：在嫦娥一号飞行的三个轨道段计算考虑的引力场有什么变化？
　　根据卫星轨道高度的不同，其受到的引力场也会有变化。
　　在调相轨道阶段，轨道周期为16h和24h时，卫星主要受到地球引力场的影响，在轨道计算中忽略太阳、月亮引力作用，当轨道周期为48h时，不仅考虑地球引力场的作用，还要考虑太阳、月亮的引力作用，但此时的地球引力场作用比24h小得多。
　　在地月转移轨道阶段，同样不仅要考虑地球对卫星的应力，同时要考虑月球、太阳对卫星的影响，当然此时地球的引力场也不同于48h。
　　在环月轨道上，卫星主要受到月球质心引力的影响，将卫星绕月运动考虑为简单的二体运动，忽略太阳和地球的影响。

三个轨道段三维图形

　　问题5：嫦娥三号，嫦娥二号的轨道相对于嫦娥一号是否有改进？主要突破了哪些难题？
　　嫦娥二号作为嫦娥三号的先导星，根据嫦娥一号的技术积累，有所改进。

嫦娥二号卫星飞行平面示意图

　　一方面开辟了新地月之间的“直航航线”，也就是说，直接将嫦娥二号发射至地月转移轨道上，待几次中途修正和近月制动后，就进入绕月轨道。嫦娥一号从发射到进入环月轨道约13d14h19min，而嫦娥二号的地月飞行时间缩短至112h。
　　另一方面绕月轨道比嫦娥一号距月表更低，从200km降低到100km的极轨轨道，在100千米高度用高分辨率CCD相机，拍摄了国际上分辨率最高的7米分辨率全月图，并成功进行嫦娥三号的降落100kmx15km轨道尝试，变轨到100千米×15千米轨道，在18.7千米高度拍摄了1.3分辨率米的虹湾局部影像图，为嫦娥三号的成功着陆打下坚实基础。嫦娥三号的飞行轨道除了降落段外，其余基本与嫦娥二号相似。

嫦娥二号全月7m分辨率影像图

月球虹湾区像元分辨率1.3m

　　突破的难题： 嫦娥二号的“直航航线”对运载火箭的入轨精度和入轨速度都有更高的要求，在推力方面较护送嫦娥一号的长征三号甲火箭增加了两个助推器。监控方面增加了X波段，远距离监控通信效果更好。
　　参考文献
　　[1]杨维廉 周文艳 嫦娥一号月球探测卫星轨道设计 航天器工程
　　[2]丁溯泉 张波 刘世勇 STK在航天任务仿真分析中的应用 [M] 2011.12
　　[3]欧阳自远 嫦娥二号的初步成果 自然杂志35（6）：391-395

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