通往月亮的道路該怎么選？

近日，“阿爾忒彌斯1號”順利告一段落，雖然準備階段一波三折，但整個實施過程卻是格外的順利。所謂“道路千萬條，安全第一條”，那么飛到月球到底有幾條道路呢？想弄明白這個問題，就要從地球到月球攏共分幾步說起。

一般來說從地球到月球球攏共分三步：第一步，先掙脫地心引力，成為一顆地球衛(wèi)星，也就是先進入地球軌道；最后一步，是降落在月球，這之前要先被月球引力捕獲，也就是進入月球軌道。第三步可以視為是第一步的逆向過程，類似于飛機的起飛和降落，這兩步之間的第二步是從地球飛向月球，飛行的軌跡一頭連接地球軌道，一頭連接月球軌道，因此也被稱為地月轉(zhuǎn)移軌道。

如何選擇這條轉(zhuǎn)移軌道有很多學問，很像我們選航班時的糾結(jié)，雖然出發(fā)地和目的地一樣，但用時最短的航班最貴，用時長的航班便宜，有時為了省錢，甚至還要先飛到更遠的地方再轉(zhuǎn)機到目的地。下面我們就來盤點下都有哪些地月之間的轉(zhuǎn)移方法。

用時最短的“直接轉(zhuǎn)移”

直接轉(zhuǎn)移是去月球最快速最常用的轉(zhuǎn)移方法，運載器先將要飛向月球的航天器（探測器或者載人飛船）送入近地的停泊軌道，再由航天器自己的主發(fā)動機或者上面級火箭送入地月轉(zhuǎn)移軌道，這種軌道看起來就是一條兩端與環(huán)地和環(huán)月軌道連接的陡峭曲線，直來直去，路徑很短，因此叫做“直接轉(zhuǎn)移”。由于追求的是路徑最短，所以航天器在飛往月球過程中要不斷修正飛行方向以及提升飛行速度，這就需要航天器攜帶很多的燃料，而航天器自帶的燃料越多，發(fā)射的重量越重，需要的運載器噸位就越大，整個飛向月球的航天任務(wù)的費用就越高。為了盡量節(jié)省航天器的燃料，霍曼轉(zhuǎn)移軌道是比較適合的無人月球探測器可以使用的經(jīng)濟型直接轉(zhuǎn)移軌道，采用不同的直接轉(zhuǎn)移軌道，飛行時間在兩天到五天之間不等。由于月球軌道與地球軌道之間有一定夾角，在中高緯度地區(qū)的發(fā)射場發(fā)射直接轉(zhuǎn)移的航天器更合適，這也是為什么中國的月球探測器大多在西昌發(fā)射的原因。

直接轉(zhuǎn)移由于飛行時間短，非常適合載人登月活動，航天員可以盡量縮短暴露在宇宙輻射環(huán)境中的時間，而為后續(xù)載人登月活動進行驗證的初期探月活動也都采用直接轉(zhuǎn)移也很好理解，畢竟不能拿航天員去當小白鼠，要先讓無人探測器先把路線跑熟練。所以蘇聯(lián)的“月球號”探測器系列、“探測器”系列中執(zhí)行月球探測任務(wù)的航天器，美國的“徘徊者”系列、“勘探者”系列、“月球軌道器”系列探測器，中國的“嫦娥”系列探測器都用直接轉(zhuǎn)移軌道飛往月球，目前人類唯一成功登月的“阿波羅”系列所有飛船不僅都使用直接轉(zhuǎn)移軌道，也直接催生了最大最重運載火箭——“土星五號”。

經(jīng)濟適用的“間接轉(zhuǎn)移”

把航天器送入越高的地球軌道，需要消耗的能量越多，雖然高軌道的軌道速度很低，但軌道能量卻很高，從這里再飛向月球會節(jié)省很多航天器自己攜帶的燃料。

當然，如果專門把探月航天器送到高軌道會有點得不償失，但是如果利用高軌道發(fā)射時候的“剩余運力”來搭載發(fā)射就顯得“經(jīng)濟適用性”十足。歐空局對這種搭便車式的“間接轉(zhuǎn)移”十分推崇，并且進行了大量的研究以及嘗試。地球同步軌道的高度是36萬公里，而地月之間的平均距離是38萬公里，從這里飛往月球看起來十分合適。

但是由于地球同步軌道平面與月球軌道平面有個很大的夾角，航天器在這兩個平面間轉(zhuǎn)移要花費驚人的燃料來改變飛行軌跡，其經(jīng)濟性相比于直接轉(zhuǎn)移并不突出，因此歐空局的科學家們又想出了另外一種間接轉(zhuǎn)移方法，那就是飛到更高的地球軌道去，高到軌道遠地點到達地日拉格朗日L1點那么遠，那里距離地球足足有100萬公里，比地月之間最遠距離的兩倍還多，航天器在那里完成從地球軌道平面向月球軌道平面的轉(zhuǎn)移，再轉(zhuǎn)換到月球高橢圓軌道上，會節(jié)省大量燃料，這個過程很像要爬一座很難爬的不太高的山，要先坐纜車上到一座容易爬的更高的山的山腰，之后靠自己爬到山頂，再用降落傘從更高的山的山頂落到那座不太高的山上。

2003年9月27日，歐空局的“智慧一號”月球探測器搭載“阿里亞娜5”運載火箭發(fā)射升空，這顆月球探測器身材很嬌小，橫截面只有1平米，攜帶的燃料竟然只有80公斤，這種燃料不是傳統(tǒng)的碳氫火箭燃料而是液化氙。搭車到達地球同步軌道之后，“智慧一號”開始利用自己的離子推進器沿著越來越扁的橢圓軌道，繞著地球一圈圈的緩慢加速，經(jīng)過1年多的時間，終于在2004年11月11日成功穿過拉格朗日L1點，開始向月球軌道“下降”，并最終在四天后成功到達月球的近月軌道，開始沿極地軌道對月球進行遙感測量。在向月球飛行的十幾個月時間里，“智慧一號”僅僅消耗了60公斤氙燃料，完全驗證了利用地球同步軌道進行地月“間接轉(zhuǎn)移”的可行性與充分的經(jīng)濟性。

神奇的“弱平衡邊界轉(zhuǎn)移”

在上面的“間接轉(zhuǎn)移”基礎(chǔ)上，如果想進一步壓榨經(jīng)濟性，就要把從轉(zhuǎn)移軌道向月球軌道轉(zhuǎn)移消耗的那些用來變軌的能量也省掉。大家都知道，能量只能轉(zhuǎn)換不能消失，那這些節(jié)省的能量從哪里來呢？要利用一點黑暗力量，那就是在“弱平衡邊界”，從太陽引力或者月球引力那里借一點點力。這個“弱平衡邊界”是指在“地-日”或者“地-月”引力相互平衡的區(qū)域，一個很微小的擾動就可以改變物體的運行軌跡，這個區(qū)域也常備被做“混沌軌道”區(qū)域，很容易產(chǎn)生軌道變遷。既然之前“間接轉(zhuǎn)移”軌道的方案已經(jīng)飛到了拉格朗日點，那不如就再利用一下太陽或者月球的力量，利用引力完成向月球軌道的變遷，再節(jié)省一些從遠地點向月球軌道轉(zhuǎn)移的燃料，這就是聽起來頗有些玄幻的“弱平衡邊界”轉(zhuǎn)移。事實上這種飛向月球的方式日本在1990年發(fā)射“飛天號”月球探測器時就成功使用過了，這個體型比“智慧一號”更加嬌小的探測器，經(jīng)過半年多的飛行，不僅成功進行月球極軌軌道，還在月球軌道上釋放了一個叫做“羽衣”的子衛(wèi)星，足見這種地月轉(zhuǎn)移軌道有多節(jié)省燃料。

回到本篇開頭的載人登月任務(wù)，為了縮短路上的時間，以減少很多不確定性對宇航員的影響，這類型的任務(wù)往往使用直接轉(zhuǎn)移軌道最為安全和方便。