版權歸原作者所有，如有侵權，請聯(lián)系我們

近期，美國宇航局發(fā)射了“阿爾忒彌斯計劃”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)關注。其實，航天器選擇的探月軌道種類不少，可以滿足不同的任務需求。隨著人類對月球探測和開發(fā)逐漸進入高潮，探月軌道的選擇、設計、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)勢呢？

為月球空間站量身打造

6月28日，美國Capstone衛(wèi)星搭乘電子號火箭，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)技術操作和導航試驗，主要目的是測試未來繞月空間站的運行軌道。具體來說，它計劃約4個月后抵達月球附近，進入近直線暈軌道，開展測試工作。

美國立方星奔赴月球示意圖

近直線暈軌道設計非常精巧，航天器不是繞月工作，而是繞地月L2點運行。地月L2點位于地球到月球的延長線上，距月球6.5萬公里，航天器在那里受到的地月引力達到平衡，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，且被月球遮擋，不能與地球直接通信。對此，科學家專門為航天器設計了暈軌道。

暈軌道形狀復雜，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)任務需求專門設定。據(jù)公開資料顯示，在“嫦娥四號”任務中，鵲橋中繼星進入了一條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，為人類探測器首次月背軟著陸奠定了堅實基礎。

在“阿爾忒彌斯計劃”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、月表探測中轉站，還是往返火星和深空的接力站，又是深空探測技術試驗場所。美國宇航局對其運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、易進入深空、便于空間站的組建與測控等。

未來美國門戶繞月空間站想象圖

這么多要求如何實現(xiàn)？科學家特意設計了一條近直線暈軌道，近月點約4000公里，遠月點約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也較小。

另一方面，該軌道的熱環(huán)境穩(wěn)定，便于空間站長期運行。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。

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。Capstone衛(wèi)星的主要任務之一就是演示到達該軌道所需的機動，并用6個月收集測試數(shù)據(jù)，為“阿爾忒彌斯計劃”探路。

探月軌道花樣多

月球軌道是非常重要的空間資源，對于月球探測與資源開發(fā)都具有重大價值。1966年4月3日，蘇聯(lián)月球10號探測器首次進入環(huán)月軌道。從此，探測器不再只是利用掠過月球的短暫時機抓拍，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、地月平衡點附近軌道、地月循環(huán)軌道。

繞月軌道以月球為中心，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中最常用，距離月面100～300公里，航天器可以實現(xiàn)月面高分辨率成像和高精度探測，也是月球著陸任務的重要過渡軌道。我國“嫦娥一號”在200公里高度圓軌道運行，我國“嫦娥二號”、日本“月亮女神”、印度“月船一號”都是在100公里高度圓軌道運行。

日本“月亮女神”探月效果圖

值得注意的是，月球引力場比地球復雜得多，如果探測器軌道低，不久就會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器運行2個月，近月點高度會下降約20公里，探測器需要消耗燃料，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，可達上千公里。它的優(yōu)勢在于受月球非球形引力攝動的影響較小，探測器長期飛行也不會軌道變形，預計是未來建立月球導航通信星座的理想場所。

月球大橢圓軌道運行在月球赤道附近，軌道周期約14個小時。其優(yōu)勢在于進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移任務。

除了繞月軌道，美國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附近軌道，繞行中心是地月平衡點。

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

軌道設計有玄機

月球軌道種類很多，各有用途，關鍵在于根據(jù)任務需求，設計合適的航天器運行軌道，才能起到事半功倍的效果。

據(jù)公開資料顯示，“嫦娥一號”軌道設計考慮因素很多，選擇月球極軌，實現(xiàn)全月面觀測，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，利用月球自轉周期長的特點，探測器相鄰軌道間距最遠是35公里，運行27天覆蓋全月。

考慮到月球引力場異常，“嫦娥一號”采用200公里高度軌道，每2個月進行調(diào)整，運行1年4個月，超過了預期壽命。可以說，“嫦娥一號”實現(xiàn)我國月球軌道設計技術創(chuàng)新，為后續(xù)任務奠定了堅實基礎。

到了“嫦娥二號”任務，除獲取更高分辨率影像外，還要為“嫦娥三號”月面軟著陸做資料和技術儲備。

“嫦娥二號”設計了100公里和100/15公里2種環(huán)月軌道，探測器先在100公里圓軌道獲取高分辨率全月影像，之后實施3次近月制動，進入橢圓軌道，而且15公里近月點位置恰好掠過月球虹灣地區(qū)上空。利用短暫的掠空時間，“嫦娥二號”獲取了預選著陸區(qū)的1米分辨率影像。

中國“嫦娥五號”上升器與軌道器交會對接

在“嫦娥五號”無人采樣返回任務中，探測器首先進入210公里圓軌道，之后著陸器2次實施降軌機動，進入200/15公里的橢圓軌道，在15公里近月點位置啟動月面軟著陸程序。

采樣完成后，上升器首先進入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對接，轉移月球樣品。通過這一系列復雜的軌道操作，月球采樣返回任務完成。

未來，隨著航天技術不斷發(fā)展，月球將成為飛向深空的中轉站，還會有更多精妙的月球軌道被開發(fā)出來，滿足人類探測太陽系乃至宇宙空間的任務需求。

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

歡迎掃碼關注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！