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地月轉移軌道

地月轉移軌道是月球探測器進入月球環繞軌道的一條軌道,從月球探測器通過不斷加速、脫離地球引力、飛向月球開始,到被月球引力捕獲、近月制動為止的軌道段。

中文名稱地月轉移軌道運用嫦娥一號、嫦娥二號

軌道的設計

從地球到月球,消耗能量最小的軌道只有一條。月球探測器從這條軌道飛向月球可以節省出更多燃料,用于在進行繞月探測工作時的軌道高度維持,從而使工作壽命達到1年甚至更多。

月球探測器飛行軌道的設計過程中,地月轉移軌道的設計特別重要。因為在以往的人造地球衛星軌道設計中,只需考慮地球對衛星的引力作用,可以使用簡單明了的關系式得到衛星的運動方程,即使考慮其他天體的引力作用、高層大氣的阻力作用效果,由于這些作用的影響很小,根據多年的工程經驗,可以通過一些簡化和平均的方法,附加一些微小的調整量就可以解決大部分的軌道設計問題。

為了解決這一難題,在設計地月轉移軌道時采用了圓錐拼接法,先假定將軌道分為地球運行段和月球運行段,然后分段逐次逼近,再經過不斷的修正,最終找到一條唯一的地月轉移軌道。

為了保證得到的軌道的正確性,我國科研人員用計算精度較高的數值積分方法對所得到的地月轉移軌道的結果進行了復核,并請國內多家從事航天器軌道動力學和天體動力學的專業人士對設計結果進行了驗證。

但是設計地月轉移軌道則與此不同,必須同時考慮地球和月球的引力作用影響。當月球探測器在近地軌道飛行時,主要受地球引力的作用,月球引力的作用非常微弱;隨著地月轉移飛行過程的進行,月球探測器離地球越來越遠,地球的引力不斷減弱,而月球的引力不斷增強,飛行軌跡也逐漸偏離最初的橢圓形軌道;

當月球探測器進入離月球6.6萬千米遠的半徑范圍內時,起主導作用的變成月球的引力,而不是地球的引力。這時月球探測器的飛行軌跡完全變化,不再是圍繞地球的橢圓,而變成圍繞月球的雙曲線軌道,而且軌道面也慢慢變化,不在同一個平面里。目前,還沒有一種簡單的方法可以輕易描述這個過程,從理論上講空間中存在無數可能的軌道,而其中消耗能量最小的軌道只有一條,軌道設計正是要找出這樣的一條軌道。

入口點和出口點

“地月轉移軌道的入口點和出口點是一種形象的叫法。”

北京跟蹤與通信技術研究所青年測控專家、繞月探測工程主任設計師季剛在嫦娥一號衛星發射時接受記者采訪時提到,“嫦娥一號衛星從入口點進入地月轉移軌道,從出口點離開地月轉移軌道,都是經過軌道設計專家精心計算后確定的。”

地月轉移軌道的入口點是指第三次近地點變軌時發動機關機時的空間位置。根據地月的時空關系,只有在這個點進入地月轉移軌道,嫦娥一號衛星才能按時與月球相會。否則,將會出現與月球“擦肩而過”的情景。

“如果說入口點的選擇是為了準時與月球‘相會’,那么出口點設計的目標就是與月球‘相會’后,衛星能在距月球表面200公里時進行第一次剎車制動,進入12小時周期的繞月軌道。”季剛說,“所以,地月轉移軌道的出口點也是嫦娥一號衛星的第一次剎車制動點。”

軌道的唯一性

月球探測器踏上地月轉移軌道,之所以說它具有“唯一性”,是因為從地球到月球,消耗能量最小的軌道只有一條。月球探測器從這條軌道飛向月球可以節省更多燃料,從而延長繞月探測的工作壽命。因此,月球探測器進入地月轉移軌道入口的時機以及運動狀態,特別是位置和速度等因素非常關鍵。如果時機不對,月球探測器將無法找到月球從而不能和月球相會;如果速度過大,月球探測器也將錯過月球,無法進入月球引力作用的范圍;而如果速度過小,月球探測器就會像中途拋錨的汽車,無法擺脫地球引力場的束縛而到達月球。總之,在經過一系列的變軌之后,月球探測器必須按照預定的速度、方向正常運行,才能沿著地月轉移軌道最終到達月球。

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最新更新:2015-08-06 14:25
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