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地月转移轨道

地月转移轨道是月球探测器进入月球环绕轨道的一条轨道,从月球探测器通过不断加速、脱离地球引力、飞向月球开始,到被月球引力捕获、近月制动为止的轨道段。

中文名称地月转移轨道运用嫦娥一号、嫦娥二号

轨道的设计

从地球到月球,消耗能量最小的轨道只有一条。月球探测器从这条轨道飞向月球可以节省出更多燃料,用于在进行绕月探测工作时的轨道高度维持,从而使工作寿命达到1年甚至更多。

月球探测器飞行轨道的设计过程中,地月转移轨道的设计特别重要。因为在以往的人造地球卫星轨道设计中,只需考虑地球对卫星的引力作用,可以使用简单明了的关系式得到卫星的运动方程,即使考虑其他天体的引力作用、高层大气的阻力作用效果,由于这些作用的影响很小,根据多年的工程经验,可以通过一些简化和平均的方法,附加一些微小的调整量就可以解决大部分的轨道设计问题。

为了解决这一难题,在设计地月转移轨道时采用了圆锥拼接法,先假定将轨道分为地球运行段和月球运行段,然后分段逐次逼近,再经过不断的修正,最终找到一条唯一的地月转移轨道。

为了保证得到的轨道的正确性,我国科研人员用计算精度较高的数值积分方法对所得到的地月转移轨道的结果进行了复核,并请国内多家从事航天器轨道动力学和天体动力学的专业人士对设计结果进行了验证。

但是设计地月转移轨道则与此不同,必须同时考虑地球和月球的引力作用影响。当月球探测器在近地轨道飞行时,主要受地球引力的作用,月球引力的作用非常微弱;随着地月转移飞行过程的进行,月球探测器离地球越来越远,地球的引力不断减弱,而月球的引力不断增强,飞行轨迹也逐渐偏离最初的椭圆形轨道;

当月球探测器进入离月球6.6万千米远的半径范围内时,起主导作用的变成月球的引力,而不是地球的引力。这时月球探测器的飞行轨迹完全变化,不再是围绕地球的椭圆,而变成围绕月球的双曲线轨道,而且轨道面也慢慢变化,不在同一个平面里。目前,还没有一种简单的方法可以轻易描述这个过程,从理论上讲空间中存在无数可能的轨道,而其中消耗能量最小的轨道只有一条,轨道设计正是要找出这样的一条轨道。

入口点和出口点

“地月转移轨道的入口点和出口点是一种形象的叫法。”

北京跟踪与通信技术研究所青年测控专家、绕月探测工程主任设计师季刚在嫦娥一号卫星发射时接受记者采访时提到,“嫦娥一号卫星从入口点进入地月转移轨道,从出口点离开地月转移轨道,都是经过轨道设计专家精心计算后确定的。”

地月转移轨道的入口点是指第三次近地点变轨时发动机关机时的空间位置。根据地月的时空关系,只有在这个点进入地月转移轨道,嫦娥一号卫星才能按时与月球相会。否则,将会出现与月球“擦肩而过”的情景。

“如果说入口点的选择是为了准时与月球‘相会’,那么出口点设计的目标就是与月球‘相会’后,卫星能在距月球表面200公里时进行第一次刹车制动,进入12小时周期的绕月轨道。”季刚说,“所以,地月转移轨道的出口点也是嫦娥一号卫星的第一次刹车制动点。”

轨道的唯一性

月球探测器踏上地月转移轨道,之所以说它具有“唯一性”,是因为从地球到月球,消耗能量最小的轨道只有一条。月球探测器从这条轨道飞向月球可以节省更多燃料,从而延长绕月探测的工作寿命。因此,月球探测器进入地月转移轨道入口的时机以及运动状态,特别是位置和速度等因素非常关键。如果时机不对,月球探测器将无法找到月球从而不能和月球相会;如果速度过大,月球探测器也将错过月球,无法进入月球引力作用的范围;而如果速度过小,月球探测器就会像中途抛锚的汽车,无法摆脱地球引力场的束缚而到达月球。总之,在经过一系列的变轨之后,月球探测器必须按照预定的速度、方向正常运行,才能沿着地月转移轨道最终到达月球。

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最新更新:2015-08-06 14:25
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