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近期，美國(guó)宇航局發(fā)射了“阿爾忒彌斯計(jì)劃”框架下的首顆探月衛(wèi)星。它將首次嘗試一條特殊的繞月軌道，卻在飛行途中一度失聯(lián)，引發(fā)關(guān)注。其實(shí)，航天器選擇的探月軌道種類不少，可以滿足不同的任務(wù)需求。隨著人類對(duì)月球探測(cè)和開發(fā)逐漸進(jìn)入高潮，探月軌道的選擇、設(shè)計(jì)、維持也越來越重要。那么選定探月軌道的背后有哪些依據(jù)？不同探月軌道各自有何優(yōu)勢(shì)呢？

為月球空間站量身打造

6月28日，美國(guó)Capstone衛(wèi)星搭乘電子號(hào)火箭，在新西蘭發(fā)射升空。這顆立方體衛(wèi)星重約25公斤，將開展月球自主定位系統(tǒng)技術(shù)操作和導(dǎo)航試驗(yàn)，主要目的是測(cè)試未來繞月空間站的運(yùn)行軌道。具體來說，它計(jì)劃約4個(gè)月后抵達(dá)月球附近，進(jìn)入近直線暈軌道，開展測(cè)試工作。

美國(guó)立方星奔赴月球示意圖

近直線暈軌道設(shè)計(jì)非常精巧，航天器不是繞月工作，而是繞地月L2點(diǎn)運(yùn)行。地月L2點(diǎn)位于地球到月球的延長(zhǎng)線上，距月球6.5萬公里，航天器在那里受到的地月引力達(dá)到平衡，用較少燃料即可保持位置。

不過，受外力影響，航天器難以穩(wěn)定地停留在地月L2點(diǎn)，且被月球遮擋，不能與地球直接通信。對(duì)此，科學(xué)家專門為航天器設(shè)計(jì)了暈軌道。

暈軌道形狀復(fù)雜，是非共面的三維非規(guī)則曲線，航天器控制難度大。從地球看去，航天器的運(yùn)行軌跡就像光暈一樣，軌道由此得名。

暈軌道種類不少，航天器可以根據(jù)任務(wù)需求專門設(shè)定。據(jù)公開資料顯示，在“嫦娥四號(hào)”任務(wù)中，鵲橋中繼星進(jìn)入了一條Z向振幅約1.3萬公里的暈軌道，幫助“鵲橋”既能看到地球又能看到月球背面，成功建立起通信連接，為人類探測(cè)器首次月背軟著陸奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在“阿爾忒彌斯計(jì)劃”中，門戶繞月空間站扮演著非常重要的角色。它是未來的通信中繼站、月表探測(cè)中轉(zhuǎn)站，還是往返火星和深空的接力站，又是深空探測(cè)技術(shù)試驗(yàn)場(chǎng)所。美國(guó)宇航局對(duì)其運(yùn)行軌道提出了很多要求，包括要有助于登月、方便航天員與貨物往返、易進(jìn)入深空、便于空間站的組建與測(cè)控等。

未來美國(guó)門戶繞月空間站想象圖

這么多要求如何實(shí)現(xiàn)？科學(xué)家特意設(shè)計(jì)了一條近直線暈軌道，近月點(diǎn)約4000公里，遠(yuǎn)月點(diǎn)約75000公里。

一方面，從這里向地球軌道和月球軌道的往返都僅需要較少的速度增量，空間站軌道維持的代價(jià)也較小。

另一方面，該軌道的熱環(huán)境穩(wěn)定，便于空間站長(zhǎng)期運(yùn)行。軌道面基本垂直于地月連線，完全無遮擋，與地球通信十分容易，并較好地覆蓋了月面極區(qū)，有利于開展月球南極登陸任務(wù)。

此前，這條特殊軌道從未有航天器使用，需要選擇特定的發(fā)射日期，掌握精確飛行控制技術(shù)。Capstone衛(wèi)星的主要任務(wù)之一就是演示到達(dá)該軌道所需的機(jī)動(dòng)，并用6個(gè)月收集測(cè)試數(shù)據(jù)，為“阿爾忒彌斯計(jì)劃”探路。

探月軌道花樣多

月球軌道是非常重要的空間資源，對(duì)于月球探測(cè)與資源開發(fā)都具有重大價(jià)值。1966年4月3日，蘇聯(lián)月球10號(hào)探測(cè)器首次進(jìn)入環(huán)月軌道。從此，探測(cè)器不再只是利用掠過月球的短暫時(shí)機(jī)抓拍，而是可以穩(wěn)定地繞月飛行，持續(xù)獲取影像，并不斷提升探測(cè)分辨率。

根據(jù)航天器繞行中心的不同，月球軌道可分為繞月軌道、地月平衡點(diǎn)附近軌道、地月循環(huán)軌道。

繞月軌道以月球?yàn)橹行?，包括低月球圓軌道、高月球圓軌道、月球大橢圓軌道等。

低月球軌道在探月任務(wù)中最常用，距離月面100～300公里，航天器可以實(shí)現(xiàn)月面高分辨率成像和高精度探測(cè)，也是月球著陸任務(wù)的重要過渡軌道。我國(guó)“嫦娥一號(hào)”在200公里高度圓軌道運(yùn)行，我國(guó)“嫦娥二號(hào)”、日本“月亮女神”、印度“月船一號(hào)”都是在100公里高度圓軌道運(yùn)行。

日本“月亮女神”探月效果圖

值得注意的是，月球引力場(chǎng)比地球復(fù)雜得多，如果探測(cè)器軌道低，不久就會(huì)從圓軌道演變成橢圓軌道。

200公里高度的月球極軌圓軌道探測(cè)器運(yùn)行2個(gè)月，近月點(diǎn)高度會(huì)下降約20公里，探測(cè)器需要消耗燃料，定期維持軌道高度，否則就要一頭扎到月球上。

高月球圓軌道與低月球圓軌道相似，但更高，可達(dá)上千公里。它的優(yōu)勢(shì)在于受月球非球形引力攝動(dòng)的影響較小，探測(cè)器長(zhǎng)期飛行也不會(huì)軌道變形，預(yù)計(jì)是未來建立月球?qū)Ш酵ㄐ判亲睦硐雸?chǎng)所。

月球大橢圓軌道運(yùn)行在月球赤道附近，軌道周期約14個(gè)小時(shí)。其優(yōu)勢(shì)在于進(jìn)入低月球圓軌道和返回地球所需的速度增量相差不大，還可以兼顧未來的火星轉(zhuǎn)移任務(wù)。

除了繞月軌道，美國(guó)Capstone衛(wèi)星和未來的月球空間站所在的近直線暈軌道屬于地月平衡點(diǎn)附近軌道，繞行中心是地月平衡點(diǎn)。

地月循環(huán)軌道則是一個(gè)近地點(diǎn)在數(shù)百公里乃至幾千公里外、遠(yuǎn)地點(diǎn)距離幾十萬公里的大橢圓軌道，繞行中心是地球和月球。探測(cè)器在兩者之間周期往返，能兼顧對(duì)地球和月球的科學(xué)探測(cè)。

軌道設(shè)計(jì)有玄機(jī)

月球軌道種類很多，各有用途，關(guān)鍵在于根據(jù)任務(wù)需求，設(shè)計(jì)合適的航天器運(yùn)行軌道，才能起到事半功倍的效果。

據(jù)公開資料顯示，“嫦娥一號(hào)”軌道設(shè)計(jì)考慮因素很多，選擇月球極軌，實(shí)現(xiàn)全月面觀測(cè)，采用100～200公里高度的圓軌道，以便獲取較高分辨率和同等分辨率的月球影像。與此同時(shí)，利用月球自轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，探測(cè)器相鄰軌道間距最遠(yuǎn)是35公里，運(yùn)行27天覆蓋全月。

考慮到月球引力場(chǎng)異常，“嫦娥一號(hào)”采用200公里高度軌道，每2個(gè)月進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)行1年4個(gè)月，超過了預(yù)期壽命?？梢哉f，“嫦娥一號(hào)”實(shí)現(xiàn)我國(guó)月球軌道設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新，為后續(xù)任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

到了“嫦娥二號(hào)”任務(wù)，除獲取更高分辨率影像外，還要為“嫦娥三號(hào)”月面軟著陸做資料和技術(shù)儲(chǔ)備。

“嫦娥二號(hào)”設(shè)計(jì)了100公里和100/15公里2種環(huán)月軌道，探測(cè)器先在100公里圓軌道獲取高分辨率全月影像，之后實(shí)施3次近月制動(dòng)，進(jìn)入橢圓軌道，而且15公里近月點(diǎn)位置恰好掠過月球虹灣地區(qū)上空。利用短暫的掠空時(shí)間，“嫦娥二號(hào)”獲取了預(yù)選著陸區(qū)的1米分辨率影像。

中國(guó)“嫦娥五號(hào)”上升器與軌道器交會(huì)對(duì)接

在“嫦娥五號(hào)”無人采樣返回任務(wù)中，探測(cè)器首先進(jìn)入210公里圓軌道，之后著陸器2次實(shí)施降軌機(jī)動(dòng)，進(jìn)入200/15公里的橢圓軌道，在15公里近月點(diǎn)位置啟動(dòng)月面軟著陸程序。

采樣完成后，上升器首先進(jìn)入180/15公里的橢圓軌道，然后飛至210公里高度，與等候在那里的軌道器交會(huì)對(duì)接，轉(zhuǎn)移月球樣品。通過這一系列復(fù)雜的軌道操作，月球采樣返回任務(wù)完成。

未來，隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展，月球?qū)⒊蔀轱w向深空的中轉(zhuǎn)站，還會(huì)有更多精妙的月球軌道被開發(fā)出來，滿足人類探測(cè)太陽系乃至宇宙空間的任務(wù)需求。

屆時(shí)，我們可以看到各種用途的航天器有序地運(yùn)行在各自的軌道上，或觀測(cè)星空，或奔赴深空，這將是多么壯闊的畫卷。

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