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全球讯息：探月轨道有多条，巧妙取舍看门道

来源：科普中国

近期，美国宇航局发射了“阿尔忒弥斯计划”框架下的首颗探月卫星。它将首次尝试一条特殊的绕月轨道，却在飞行途中一度失联，引发关注。其实，航天器选择的探月轨道种类不少，可以满足不同的任务需求。随着人类对月球探测和开发逐渐进入高潮，探月轨道的选择、设计、维持也越来越重要。那么选定探月轨道的背后有哪些依据？不同探月轨道各自有何优势呢？

为月球空间站量身打造


(资料图)

6月28日，美国Capstone卫星搭乘电子号火箭，在新西兰发射升空。这颗立方体卫星重约25公斤，将开展月球自主定位系统技术操作和导航试验，主要目的是测试未来绕月空间站的运行轨道。具体来说，它计划约4个月后抵达月球附近，进入近直线晕轨道，开展测试工作。

美国立方星奔赴月球示意图

近直线晕轨道设计非常精巧，航天器不是绕月工作，而是绕地月L2点运行。地月L2点位于地球到月球的延长线上，距月球6.5万公里，航天器在那里受到的地月引力达到平衡，用较少燃料即可保持位置。

不过，受外力影响，航天器难以稳定地停留在地月L2点，且被月球遮挡，不能与地球直接通信。对此，科学家专门为航天器设计了晕轨道。

晕轨道形状复杂，是非共面的三维非规则曲线，航天器控制难度大。从地球看去，航天器的运行轨迹就像光晕一样，轨道由此得名。

晕轨道种类不少，航天器可以根据任务需求专门设定。据公开资料显示，在“嫦娥四号”任务中，鹊桥中继星进入了一条Z向振幅约1.3万公里的晕轨道，帮助“鹊桥”既能看到地球又能看到月球背面，成功建立起通信连接，为人类探测器首次月背软着陆奠定了坚实基础。

在“阿尔忒弥斯计划”中，门户绕月空间站扮演着非常重要的角色。它是未来的通信中继站、月表探测中转站，还是往返火星和深空的接力站，又是深空探测技术试验场所。美国宇航局对其运行轨道提出了很多要求，包括要有助于登月、方便航天员与货物往返、易进入深空、便于空间站的组建与测控等。

未来美国门户绕月空间站想象图

这么多要求如何实现？科学家特意设计了一条近直线晕轨道，近月点约4000公里，远月点约75000公里。

一方面，从这里向地球轨道和月球轨道的往返都仅需要较少的速度增量，空间站轨道维持的代价也较小。

另一方面，该轨道的热环境稳定，便于空间站长期运行。轨道面基本垂直于地月连线，完全无遮挡，与地球通信十分容易，并较好地覆盖了月面极区，有利于开展月球南极登陆任务。

此前，这条特殊轨道从未有航天器使用，需要选择特定的发射日期，掌握精确飞行控制技术。Capstone卫星的主要任务之一就是演示到达该轨道所需的机动，并用6个月收集测试数据，为“阿尔忒弥斯计划”探路。

探月轨道花样多

月球轨道是非常重要的空间资源，对于月球探测与资源开发都具有重大价值。1966年4月3日，苏联月球10号探测器首次进入环月轨道。从此，探测器不再只是利用掠过月球的短暂时机抓拍，而是可以稳定地绕月飞行，持续获取影像，并不断提升探测分辨率。

根据航天器绕行中心的不同，月球轨道可分为绕月轨道、地月平衡点附近轨道、地月循环轨道。

绕月轨道以月球为中心，包括低月球圆轨道、高月球圆轨道、月球大椭圆轨道等。

低月球轨道在探月任务中最常用，距离月面100～300公里，航天器可以实现月面高分辨率成像和高精度探测，也是月球着陆任务的重要过渡轨道。我国“嫦娥一号”在200公里高度圆轨道运行，我国“嫦娥二号”、日本“月亮女神”、印度“月船一号”都是在100公里高度圆轨道运行。

日本“月亮女神”探月效果图

值得注意的是，月球引力场比地球复杂得多，如果探测器轨道低，不久就会从圆轨道演变成椭圆轨道。

200公里高度的月球极轨圆轨道探测器运行2个月，近月点高度会下降约20公里，探测器需要消耗燃料，定期维持轨道高度，否则就要一头扎到月球上。

高月球圆轨道与低月球圆轨道相似，但更高，可达上千公里。它的优势在于受月球非球形引力摄动的影响较小，探测器长期飞行也不会轨道变形，预计是未来建立月球导航通信星座的理想场所。

月球大椭圆轨道运行在月球赤道附近，轨道周期约14个小时。其优势在于进入低月球圆轨道和返回地球所需的速度增量相差不大，还可以兼顾未来的火星转移任务。

除了绕月轨道，美国Capstone卫星和未来的月球空间站所在的近直线晕轨道属于地月平衡点附近轨道，绕行中心是地月平衡点。

地月循环轨道则是一个近地点在数百公里乃至几千公里外、远地点距离几十万公里的大椭圆轨道，绕行中心是地球和月球。探测器在两者之间周期往返，能兼顾对地球和月球的科学探测。

轨道设计有玄机

月球轨道种类很多，各有用途，关键在于根据任务需求，设计合适的航天器运行轨道，才能起到事半功倍的效果。

据公开资料显示，“嫦娥一号”轨道设计考虑因素很多，选择月球极轨，实现全月面观测，采用100～200公里高度的圆轨道，以便获取较高分辨率和同等分辨率的月球影像。与此同时，利用月球自转周期长的特点，探测器相邻轨道间距最远是35公里，运行27天覆盖全月。

考虑到月球引力场异常，“嫦娥一号”采用200公里高度轨道，每2个月进行调整，运行1年4个月，超过了预期寿命。可以说，“嫦娥一号”实现我国月球轨道设计技术创新，为后续任务奠定了坚实基础。

到了“嫦娥二号”任务，除获取更高分辨率影像外，还要为“嫦娥三号”月面软着陆做资料和技术储备。

“嫦娥二号”设计了100公里和100/15公里2种环月轨道，探测器先在100公里圆轨道获取高分辨率全月影像，之后实施3次近月制动，进入椭圆轨道，而且15公里近月点位置恰好掠过月球虹湾地区上空。利用短暂的掠空时间，“嫦娥二号”获取了预选着陆区的1米分辨率影像。

中国“嫦娥五号”上升器与轨道器交会对接

在“嫦娥五号”无人采样返回任务中，探测器首先进入210公里圆轨道，之后着陆器2次实施降轨机动，进入200/15公里的椭圆轨道，在15公里近月点位置启动月面软着陆程序。

采样完成后，上升器首先进入180/15公里的椭圆轨道，然后飞至210公里高度，与等候在那里的轨道器交会对接，转移月球样品。通过这一系列复杂的轨道操作，月球采样返回任务完成。

未来，随着航天技术不断发展，月球将成为飞向深空的中转站，还会有更多精妙的月球轨道被开发出来，满足人类探测太阳系乃至宇宙空间的任务需求。

届时，我们可以看到各种用途的航天器有序地运行在各自的轨道上，或观测星空，或奔赴深空，这将是多么壮阔的画卷。

关键词： 椭圆轨道 嫦娥二号 嫦娥一号

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