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嫦娥五号今年择机发射 “嫦娥姐姐们”如何奔月的?

2019-08-17 19:06:44128 ℃

今年是嫦娥一号探测器登月10周年,据新华社近日的消息,我国将于今年择机发射嫦娥五号月球探测器,它将着陆在月球正面的吕姆克山脉,开展相应的科学研究。

从嫦娥一号到嫦娥五号,中国人的“奔月”梦想一步步深入,关于月球探测器的运行轨道,你了解多少?这其中又有什么科学考量?让我们通过一篇小文了解一下。

嫦娥五号今年择机发射 “嫦娥姐姐们”如何奔月的?

近年来,我国空间探测发展加快了步伐,不断刷新探索宇宙深空的“中国高度”,并计划在2020年探测火星。为了让大家更多地了解我国空间探测方面的成就,下面我们先来了解下嫦娥轨道设计相关的问题

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嫦娥一号卫星

嫦娥一号卫星于2007年10月24日被长征三号运载火箭送入近地点高度200km,远地点高度51000km的轨道上,轨道周期为15.81h。其主要科学目标是获取月球表面的三维影像,分析月球表面的有用元素及物质类型的含量和分布,探测月壤的厚度,探测地月空间环境,其整个飞行过程可分为三个轨道段:环绕地球飞行轨道段(又称调相轨道段)、地月转移轨道段、环绕月球飞行轨道段。

嫦娥一号发射时,卫星并非直接通过加速进入地月转移轨道段,而是要绕着地球进行三次轨道机动。第一次在近地点点火,将近地点高度抬高到600km,这时轨道周期变为16h,在16h周期轨道上运动三圈后,卫星再在近地点第二次点火变轨,将轨道周期变为24h,在此轨道上运行一圈至三圈后,再次到达近地点,卫星进行第三次点火变轨,将轨道周期变为48h。

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嫦娥一号卫星飞行过程平面示意图

卫星绕着地球进行三次变轨,被称为调相轨道。卫星在调相轨道运行结束到达最后一个近地点时再作一次大的轨道机动,使卫星进入地月转移轨道。随后卫星将沿着这条转移轨道飞向月球,飞行114h后到达近月点。为了使其变为绕月飞行的月球卫星,还需在近月点作三次减速机动,机动后的轨道周期相继是12h、315h和127min。

大家也许纳闷嫦娥一号为什么不一口气从地球飞向月球去,而是要绕这些“弯弯绕”呢。关于嫦娥一号以及嫦娥二号、三号,想必你一定有许多疑问,别急,我们一个一个解答。

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卫星的调相轨道三维图形

问题1:调相轨道的方法只有这一种吗?为什么要用这一种?

调相轨道的目的是为进入地月转移轨道做准备,方法有多种。最简单的就是在近地点后一次直接加速进入到地月转移轨道上。为什么没有采用这种简单的方法呢?

原因之一是为了节省燃料。如果嫦娥一号直接飞往地月转移轨道需要更多的燃料以获取更大的推动力。

原因之二是将几次近地点机动安排在同一地区方便变轨的实施,有利于地面监测。

原因之三是由于调相轨道中有24h的轨道可以方便不同日期发射卫星。

地球和月球有相对运动,而且地球本身有自转,如果想要直接飞上月球而不变轨就必须得计算出一个发射角度和发射时间,受气流等因素的影响,我们的火箭不容易完全按指定的时间一秒不差的发射,在地球上也许只是偏差一点,但相隔几十万公里之后这个偏差有多大呢?

问题2:地月转移轨道飞行时间为什么是114h?

地月转移轨道飞行时间一般为3天到5天,飞行时间越短所需要的能量越大,卫星在近地点时飞行速度就要求越大,当到达月球预定轨道的近月点时制动力量就越大,换句话说相当于汽车在刹车时要求的力越大,风险也越大。

为了卫星安全的进入绕月轨道,我们选用了最小能量的轨道,其飞行时间为5天(120h),为避免卫星到达近月点时的轨道被月球遮挡,便于我国观测站对轨道机动的观测和控制,将飞行时间缩短6小时,因此地月转移轨道最终的飞行时间为114h。

问题3:为什么绕月的轨道平均高度设计为200km?

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