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嫦娥五號今年擇機發射 “嫦娥姐姐們”如何奔月的?

2019-08-17 19:06:44128 ℃

今年是嫦娥一號探測器登月10周年,據新華社近日的消息,我國將于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,關于月球探測器的運行軌道,你了解多少?這其中又有什么科學考量?讓我們通過一篇小文了解一下。

嫦娥五號今年擇機發射 “嫦娥姐姐們”如何奔月的?

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”,并計劃在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

嫦娥五號今年擇機發射 “嫦娥姐姐們”如何奔月的?

嫦娥一號衛星

嫦娥一號衛星于2007年10月24日被長征三號運載火箭送入近地點高度200km,遠地點高度51000km的軌道上,軌道周期為15.81h。其主要科學目標是獲取月球表面的三維影像,分析月球表面的有用元素及物質類型的含量和分布,探測月壤的厚度,探測地月空間環境,其整個飛行過程可分為三個軌道段:環繞地球飛行軌道段(又稱調相軌道段)、地月轉移軌道段、環繞月球飛行軌道段。

嫦娥一號發射時,衛星并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后,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后,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。

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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后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。隨后衛星將沿著這條轉移軌道飛向月球,飛行114h后到達近月點。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,機動后的軌道周期相繼是12h、315h和127min。

大家也許納悶嫦娥一號為什么不一口氣從地球飛向月球去,而是要繞這些“彎彎繞”呢。關于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。

嫦娥五號今年擇機發射 “嫦娥姐姐們”如何奔月的?

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?為什么要用這一種?

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后一次直接加速進入到地月轉移軌道上。為什么沒有采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,有利于地面監測。

原因之三是由于調相軌道中有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后這個偏差有多大呢?

問題2:地月轉移軌道飛行時間為什么是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,換句話說相當于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,便于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:為什么繞月的軌道平均高度設計為200km?

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