晚發(fā)射、早抵達(dá)？探月軌道奧妙多

7月25日，印度月船3號(hào)探測器完成第五次地球軌道提升，預(yù)計(jì)將在8月1日進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，8月23日有望著陸月球。此外，俄羅斯計(jì)劃在8月11日發(fā)射月球25號(hào)探測器，預(yù)計(jì)8月21日著陸月球。俄方探測器發(fā)射時(shí)間比印方晚了近1個(gè)月，為何卻有希望更早著陸月面？航天器選擇探月軌道，受到哪些因素影響？不同的探月軌道又蘊(yùn)藏著什么奧妙呢？

“爭先恐后”搶紀(jì)錄

7月14日，印度空間組織在薩迪什達(dá)萬航天中心使用LVM3火箭，將月船3號(hào)探測器送入太空?！霸麓?號(hào)”發(fā)射質(zhì)量約3.9噸，包括推進(jìn)艙、著陸器和月球車。其中，推進(jìn)艙質(zhì)量超過2噸，負(fù)責(zé)將著陸器和月球車送至100公里高度的月球軌道；著陸器重約1.75噸，使用4臺(tái)800牛變推力發(fā)動(dòng)機(jī)；月球車重26公斤，計(jì)劃在月球南極區(qū)域漫游工作。

印度“月船3號(hào)”即將裝入整流罩

印方宣稱，“月船3號(hào)”耗資約7300萬美元，設(shè)計(jì)壽命14天，將實(shí)現(xiàn)三大目標(biāo)：驗(yàn)證月表安全軟著陸技術(shù)、巡視月球、實(shí)施月球原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

如果沒有俄方“近道超車”，印度有望成為第四個(gè)實(shí)現(xiàn)航天器軟著陸月面和首個(gè)在月球南極區(qū)域著陸的國家，可惜印度探月之路并非“一帆風(fēng)順”。

比如，LVM3是印度運(yùn)力最強(qiáng)的火箭，但其地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力只有2噸左右，無法直接將“月船3號(hào)”送入地月轉(zhuǎn)移軌道。

于是，“月船3號(hào)”首先進(jìn)入環(huán)繞地球飛行的調(diào)相階段，通過5次大橢圓軌道機(jī)動(dòng)變軌，逐步抬升地球軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)，以便進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。

麻煩的是，“月船3號(hào)”初期入軌不順：按計(jì)劃，最初應(yīng)進(jìn)入近地點(diǎn)170公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)3.65萬公里的橢圓形軌道；由于入軌精度不足，“月船3號(hào)”進(jìn)入了近地點(diǎn)138公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)3.63萬公里的軌道，近地點(diǎn)高度比預(yù)期低32公里，似乎不太安全。

印度空間組織為此緊急進(jìn)行了一系列變軌調(diào)整，所幸經(jīng)過5次變軌機(jī)動(dòng)后，“月船3號(hào)”的軌道高度恢復(fù)正常，正在為進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道做準(zhǔn)備。如果探測器在8月23日如期到達(dá)月球上空，并擇機(jī)登陸，整個(gè)奔月之旅將持續(xù)40天。

印度“月船3號(hào)”探月軌道示意圖

不過，在俄羅斯航天人士眼中，“月船3號(hào)”屬于“起了大早，趕了晚集”。俄羅斯月球25號(hào)探測器計(jì)劃于8月11日發(fā)射。自1976年“月球24號(hào)”升空后，俄羅斯時(shí)隔半個(gè)世紀(jì)再次探月，同樣計(jì)劃在月球南極區(qū)域著陸，尋找水冰痕跡，開展月球極地散逸層的塵埃等離子體研究等。

此外，“月球25號(hào)”的另一個(gè)重要目標(biāo)是對俄羅斯深空探測和探月工程體系“練兵”，從而整合航天技術(shù)資源，培養(yǎng)和鍛煉人才隊(duì)伍，為后續(xù)月球探測乃至建立月球基地奠定基礎(chǔ)。

得益于俄羅斯火箭更強(qiáng)的運(yùn)載能力，加上“月球25號(hào)”的發(fā)射質(zhì)量只有1.75噸，探測器將直接進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，預(yù)計(jì)8月17日左右繞月運(yùn)行，8月21日有望落月。這樣看來，印度與俄羅斯將奮力爭奪首次著陸月球南極區(qū)域的世界紀(jì)錄。

俄羅斯“月球25號(hào)”在東方航天發(fā)射場開展測試

探月路徑巧妙選擇

通過簡單對比印俄兩國此輪探月任務(wù)，可以發(fā)現(xiàn)：兩者的探月路徑及其影響差別很大。

事實(shí)上，月球探測包括硬著陸、軟著陸、月球環(huán)繞等模式，結(jié)合具體任務(wù)，探月飛行軌道大致由互相銜接的5段組成：發(fā)射、調(diào)相、地月轉(zhuǎn)移、環(huán)月飛行以及著陸月球。

其中，地月轉(zhuǎn)移軌道非常關(guān)鍵，堪稱探測器從地球飛向月球的最便捷路徑。這條軌道的近地點(diǎn)、遠(yuǎn)地點(diǎn)分別與探測器繞地球運(yùn)行的停泊軌道、月球軌道相切，可以讓探測器飛行大約4天后，抵達(dá)近月點(diǎn)，然后“剎車”進(jìn)入月球引力場，被月球捕獲。

縱覽各國探月活動(dòng)，探測器主要選擇兩條路線。其一是定相多圈入軌，即由火箭將探測器送入環(huán)地球大橢圓軌道，然后探測器自行加速進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，再飛往月球。這種選擇的“潛臺(tái)詞”一般是火箭運(yùn)載能力不足，多用于無人探月任務(wù)。

據(jù)公開資料顯示，我國嫦娥一號(hào)探測器就選擇了這種奔月方式。長征三號(hào)甲火箭將探測器送入近地點(diǎn)200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)5.1萬公里的環(huán)地球大橢圓軌道，然后探測器實(shí)施4次變軌，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，飛行100多個(gè)小時(shí)后，到達(dá)近月點(diǎn)。

不難看出，這種模式下，探測器有多次機(jī)會(huì)調(diào)整軌道，盡量消除發(fā)射和其他因素造成的誤差。每次變軌啟動(dòng)時(shí)，探測器相對地球的位置基本不變，便于地面團(tuán)隊(duì)監(jiān)控探測器變軌過程。不過，這種模式無疑使探測器的飛行時(shí)間長，不利于載人探月活動(dòng)。

其二是直接入軌，即由火箭直接將探測器送入地月轉(zhuǎn)移軌道。比如，我國嫦娥二號(hào)探測器由長征三號(hào)丙火箭發(fā)射，直接進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，抵達(dá)月球時(shí)間顯著縮短。此后，我國歷次探月活動(dòng)均選擇這種模式。

選擇這種方式可以縮短探測器飛行時(shí)間，節(jié)約燃料，但對測控網(wǎng)分布、指揮通信和火箭運(yùn)載能力、入軌精度均要求很高。理論上，如果探測器在進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道時(shí)發(fā)生1米/秒的速度誤差或1公里的高度誤差，到達(dá)月球附近時(shí)，位置誤差可達(dá)數(shù)千公里。

在美國“阿波羅計(jì)劃”中，載人飛船也是直接進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，但選擇了“8”字形的所謂“自由返回軌道”，以便提高任務(wù)可靠性：如果飛船抵達(dá)月球時(shí)減速效果不佳，可以自動(dòng)返回地球。

這種軌道設(shè)計(jì)在“阿波羅13號(hào)”任務(wù)中發(fā)揮了重大作用。當(dāng)時(shí)飛船在太空中發(fā)生了一系列故障，氧氣供給不足，主發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。航天員們在地面控制中心的幫助下，成功將飛船“推”到自由返回軌道，安全返回。

軌道優(yōu)化前景廣闊

地月轉(zhuǎn)移軌道是地月之間飛行的最短路徑，但對航天器入軌速度的要求很高。無論是直接發(fā)射，還是定相多圈入軌，探測器想要進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，都需要具備約500米/秒的速度增量，能耗相當(dāng)可觀。

1990年，日本發(fā)射飛天號(hào)月球探測器，首次采用所謂“彈道月球轉(zhuǎn)移軌道”，摸索出能耗較低的奔月軌道。

當(dāng)時(shí)，先由火箭將探測器發(fā)射到月球附近，再借用月球引力輔助，使其“南轅北轍”，飛到日地連線上距地球約150萬公里處，再借助太陽引力，改變探測器速度方向，減少探測器入軌所需的速度增量。

這種探月入軌方式耗時(shí)較久，往往需要3～4個(gè)月，對測控要求也較高，更適合攜帶燃料不多的小型月球探測器。2004年歐空局SMART-1探測器、2022年美國頂石探測器和韓國享月號(hào)探測器都采用了這類軌道。

近年來，各國探月大潮涌動(dòng)，探索設(shè)計(jì)新型探月軌道是大勢所趨。美國“阿爾忒彌斯-1”任務(wù)中，獵戶座飛船開展無人繞月飛行測試，進(jìn)入距月面6.4萬公里的大幅值逆行軌道。這種地月空間軌道具有長期穩(wěn)定、入軌能量低的特點(diǎn)，未來有望運(yùn)行載人月球/火星任務(wù)的中轉(zhuǎn)站。

據(jù)公開報(bào)道稱，我國嫦娥五號(hào)軌道器完成支持月球采樣返回任務(wù)后，開展了一系列拓展試驗(yàn)，包括軌道測試任務(wù)，曾進(jìn)入環(huán)月大幅值逆行軌道。未來，類似軌道與自由返回軌道相結(jié)合，有望顯著提升載人飛船和無人探測器的任務(wù)可靠性。

總之，設(shè)計(jì)探月軌道，需要基于任務(wù)具體情況，包括運(yùn)載、測控、探測器自身機(jī)動(dòng)等能力，綜合考慮探測器飛行規(guī)劃、燃料預(yù)算等。而在探測器研制階段，就要考慮搭載分系統(tǒng)的需求，分析軌道特性，優(yōu)化飛行過程，完成軌道初步設(shè)計(jì)，還要考慮到故障預(yù)案及擴(kuò)展任務(wù)的可能性。

探月任務(wù)是當(dāng)前國際航天熱門項(xiàng)目，但不少探測器功虧一簣，證明其中仍蘊(yùn)含著高風(fēng)險(xiǎn)、大挑戰(zhàn)。人類探索太空的步伐不會(huì)停歇，相信將有更加優(yōu)化的軌道被探月航天器探索出來，更好地服務(wù)人類。（作者：楊詩瑞 圖片來源：印度空間組織、俄羅斯國家航天集團(tuán)公司 把關(guān)專家：中國航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）