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嫦娥1號的奔月之路
（2007年12月18日 15:27）
來源︰《中國航天》 2007年第11期
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□作者: 天 兵
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從地球到月球不但距離遙遠，將近40萬公里，而且月球自身還在圍繞地球進行公轉，平均運動速度1.023公里/秒。因此，如何讓嫦娥1號與運動著的月球完成精確的“約會”，在工程上是一個非常困難的事情，搞不好繞月探測衛星不是飛不到月球，就是掠過了月球而沒進入月球軌道，或者撞到月球表面上粉身碎骨。由此可見，嫦娥1號飛行軌道的設計是整個工程中一項必須突破的關鍵技術。
那麼，要使繞月探測衛星進入月球軌道。其速度應該達到多少呢?有人可能認為應達到11.2公里/秒的第二宇宙速度，實際上只要使初始速度大于10.6公里/秒，繞月探測衛星就可飛向月球。這是由于月球本身處在地球引力範圍內。當繞月探測衛星的飛行軌道在離月球6.6萬公里之外時，主要受地球引力作用，是相對地球的橢圓軌道；在離月球6.6萬公里之內以後，主要受月球引力作用，是相對于月球的雙曲線軌道。
1 條條大路通月宮
目前，把繞月探測衛星從地面發射到月球軌道有多種方式，常用的有4種︰第1種是用運載火箭先將繞月探測衛星送入近地球的圓軌道上，然後靠繞月探測衛星自行加速進入地月轉移軌道到達月球︰第2種是用運載火箭將繞月探測衛星送入環地球飛行的大橢圓軌道，然後通過繞月探測衛星在橢圓軌道的近地點處加速來進入地月轉移軌道，最終到達月球；第3種是用運載火箭將繞月探測衛星送入地月引力平衡點處，然後在地月引力平衡點處使繞月探測衛星加速進入月球軌道︰第4種是用運載火箭把繞月探測衛星直接送入地月轉移軌道從而飛向月球。
以上4種方式在過去的探月活動中都使用過，它們各有特點。根據嫦娥1號的使命和性能以及我國現有運載火箭的能力，經過精確的分析和計算，為了用最小的代價實現奔月過程，我國繞月探測衛星選擇了第2種軌道飛行方式，即由運載火箭將嫦娥1號首先送入環繞地球的大橢圓軌道，然後由嫦娥1號在該軌道的近地點處不斷加速，進入地月轉移軌道，到達月球後減速成為月球衛星。
飛往月球需要多長時間呢?事實上，不同的月球探測器飛抵月球的時間是不一樣的。地月距離最近時為363300公里，最遠為405500公里。但從地球發射的載人飛船或月球探測器都不會走直線距離，而是按大橢圓軌道飛向月球。
1959年1月2日發射的人類第一顆月球探測器——甦聯的月球1號是從地球直接飛往月球並從月球上空近6000公里處飛過，用了不到2天的時間。
首個攜航天員登上月球的阿波羅11號飛船在1969年7月16日發射後先進入環繞地球飛行的停泊軌道，然後再經過70多小時的地一月飛行後進人月球軌道，並且在發射後80小時11分進行環月飛行，102小時45分2名航天員駕駛登月艙在月球表面著陸。阿波羅11號飛船從火箭點火升空到著陸月球用了4天多時間。
2007年9月14日上天的日本“月女神”的具體發射程序是︰發射後“月女神”先進入近地點281公里、遠地點232805公里、傾角30.4度的地球大橢圓停泊軌道；發射後第15天，“月女神”探測器點火進入地一月轉移軌道，途中該探測器進行2次軌道修正，以保證精確進入環月軌道；發射後第20天，“月女神”進入—個近月點120公里、遠月點13萬公里、傾角為90度的初始環月軌道；發射後第24天，“月女神”將減速下降，使近月點降為100公里，遠月點高度降為2400公里，並釋放“中繼星”子衛星；發射後第28天，“月女神”將再次減速下降，使遠月點高度降為800公里，近月點高度不變，並釋放“干涉測量星”子衛星；發射後第37天，安裝有大部分科學有效載荷的“月女神”主衛星調整運行至距月球100公里的圓形極月軌道上，完成為期1年的探測任務。
到達月球耗時最長的要算歐洲空間局的斯瑪特1號月球探測器，它采用了一種稱為離子推進系統的先進技術，經多次變軌，在太空中巡游了一年零兩個月才進入環月軌道。
我國嫦娥1號探測器在飛往月球的過程時，先由長征3號甲運載火箭送人環繞地球運行一周半的16小時的地球軌道，經過軌道機動進入運行周期24小時的軌道，然後通過再次機動進入48小時軌道，在此過程中逐漸抬高軌道高度，最後離開地球進入奔月軌道並飛往月球。飛行110多個小時後到達近月點。並且還要經過3次減速機動後，最終進入200公里的圓軌道，所以嫦娥1號飛抵月球的時間大約需要12天。
2 崎嶇艱險知馬力
嫦娥1號繞月探測衛星的顯著特點是在奔月的過程中需要經歷近地加速、中途修正和近月減速預計共10次(實際上為8次)變換飛行軌道，軌道控制量比較大。為了保證衛星進入環月軌道，要求變軌控制可靠、及時和準確。
它在進人環月軌道後，由于月球的重力加速度為地球的1/6。同時其重力場分布不均勻，存在一些質量聚集的“質量瘤”，而在這些質量密集的地方，其重力加速度會加大，因此嫦娥1號環繞月球的飛行軌道會在引力場的作用下發生變化。為了保證探測任務的順利完成，需要對它的運行軌道進行控制，實現環月軌道保持。由于引力特性的不同，軌道控制與地球衛星也有較大不同。
嫦娥1號靠自帶變軌發動機來變換飛行軌道。環月軌道保持、控制量較小的中途修正和3次近月點制動後的軌道修正使用推力器組合來完成。嫦娥1號飛行的控制主要依賴于地面測控。衛星變軌前，地面測控系統測量和確定各階段自由飛行軌道參數，保證衛星點火位置和速度預報精度。變軌過程中由星上的加速度計測量發動機點火過程中飛行方向的速度增量，以保證軌道控制精度。
在每次變軌之前由地面根據實測軌道計算制導控制參數，並提前注入控制計算機。控制計算機根據延時指令，在預定時刻開啟變軌發動機。隨後控制計算機根據地面注入的制導控制參數和加速度計輸出，實時計算關機方程，向發動機發出關機指令。
嫦娥1號最後一次近地點變軌和第一次近月點變軌是關鍵性變軌，沒有備份窗口。因此對這兩次點火來說，窗口是唯一的。即使因為發生故障造成延誤，也必須實施。為此，在軌控的設計上，對陀螺故障、10牛推力器故障、計算機故障設計了相應故障處理措施，以保證軌控的可靠性。
3 優美奔月三步曲
發射嫦娥1號的長征3號甲運載火箭，是我國現有能力最強的運載火箭系列中的一員。它能為嫦娥1號提供10.3公里/秒的速度。進入一條近地點為200公里，遠地點51000公里的大橢圓軌道，即超地球同步轉移軌道。但是這還不夠，為了進入能到達月球的軌道，嫦娥1號的速度必須達到至少10.6公里/秒，這就要求嫦娥1號還要能給自己再增加600米/秒左右的速度。
由于在近地點一次加速過程中實現的加速量較大，所以實現起來比較困難。又因為我國是第一次進行如此長距離的奔月飛行，所以如果在發射和加速過程中出現偏差，很可能造成嫦娥1號錯過和月球的“約會”。甚至無法沿著橢圓形的軌道飛回地球，而飛進茫茫的太空，永遠消失在我們的視野里。為此，經過精心的分析和計算，同時考慮到降低其他風險帶來的不利因素，我國嫦娥1號采用了一個在地球軌道3次近地點加速的軌道調整方案，即采用調相軌道，目的是使得嫦娥1號在超地球同步轉移軌道運行時能量進一步增大，運行速度不斷增大，從而使嫦娥1號的遠地點高度變為約38萬公里的地月轉移軌道。這段調整過程歷時5-7天(與具體的發射日期有關，現由于是24日發射，所以為7天，如果是10月25日或26日發射，調整過程就將歷時6天或5天)，在這5-7天里，能有充分的時間對嫦娥1號的飛行狀況進行監控，以保證它進入一條正確的軌道。
此後，嫦娥1號還要用5天時間沿著一條偏心率很大的橢圓形軌道飛向月球。它從最初的10.6公里/秒的速度飛離地球開始，隨著與月球的距離越來越近，其相對于地球的速度越來越慢，相對月球運動的速度約為2.4公里/秒。而此時由于月球的引力作用還不夠強大，比將嫦娥1號“拴”在自己身邊所要求的1.6公里/秒速度要大，所以如果不減速到一定程度，嫦娥1號會一去不回頭，離開月球和地球，漫游在更加遙遠的深空里。為了使嫦娥1號被月球“俘獲”，還必須主動減小飛行速度。設想通過3次減速過程，使嫦娥1號相對月球的速度減小約800米/秒，最終能夠實現在距離月球表面約200公里的高度上穩定運行。
為使嫦娥1號在1年的飛行過程中，能夠飛過月球上的每個角落，對月球進行詳細的探索，嫦娥1號的軌道將通過月球的南極和北極。這樣一來，盡管嫦娥1號運行軌道的方位基本固定不變，但由于月球自身的自轉運動，每28個地球日左右轉動一圈，因此用28天左右的時間，嫦娥1號上的科學儀器就能對月球進行全面的探測。
在設計上述軌道的過程中，還要考慮飛行過程中嫦娥1號的光照情況、相對于地面位置固定的跟蹤和通信設備的可見性等很多問題。經過反復的計算、權衡。最終才設計出了現在的嫦娥1號飛行軌道。
至此，不難看出，嫦娥1號奔月也要轉幾次路，才能到達月球附近的軌道。嫦娥1號整個飛行過程要經歷調相軌道、地月轉移軌道、月球捕獲軌道3個階段。
4 不斷變軌為加速
在調相軌道段。嫦娥1號由長征3號甲火箭送入軌道傾角為31度、近地點200公里、遠地點51000公里、周期約16小時的初始大橢圓軌道後，要經歷為期約7天的調相軌道飛行過程。在這一過程中將利用自身的1台490牛發動機(該發動機實際啟動點火工作次數能力可超過80次以上，並且仍能工作，保險系數很大)進行一系列的變軌，其目標是將軌道的能量進一步增大，使其變為遠地點高度約40萬公里的地月轉移軌道。在對衛星的運行軌道實施變軌控制時，一般選擇在近地點和遠地點完成，這樣做可以最大限度地節省衛星上所攜帶的燃料。具體步驟是︰
嫦娥1號在初始大橢圓軌道上運行大約1天後，為了有利于近地點的測控，先利用490牛發動機于10月25日在其運行到遠地點時成功進行了第1次加速變軌，目的是把嫦娥1號近地點高度由200公里提升到600公里，以增大近地點處的測控弧段。
10月26日，當嫦娥1號到達近地點時，又通過星載推進器成功進行了第2次加速，這也是第1次近地點加速，目的是使嫦娥1號的遠地點高度由5.1萬公里提高到7.1萬公里，軌道周期也由16小時變為24小時左右。
又經過3天飛行後，嫦娥1號于10月29日在近地點進行第2次加速，目的是使嫦娥1號的遠地點高度由7.1萬公里提高到12萬公里，同時使得軌道周期變為48小時左右。
最後一次變軌是在2天後的10月31日。它很關鍵，因為時機是唯一的。這次在近地點的加速過程可使得嫦娥l號的速度最終提高到10.6公里，秒，達到進入地月轉移軌道所要求的人口速度，飛行軌道的遠地點能接近40萬公里，從而進入奔向月球的軌道。正是這4次加速，讓嫦娥1號衛星有了足夠的速度能夠進入下一個軌道階段。
通過嫦娥1號的3次近地點機動，逐步增加了近地點的速度，從而使遠地點高度逐步增加，最終到達地月轉移軌道的人口。這很像鉛球或鐵餅運動員在扔鉛球或鐵餅時先轉幾圈逐步加速後再扔。從而扔得比較遠。采用這種調相軌道的其他好處是可有多次機會調整軌道，消除由于發射時的誤差和其他因素造成的誤差，並且每次進行變軌時，相對于地球的位置基本不變，因此能在固定的位置布置測量船，對嫦娥1號的變軌過程進行監控。
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文章作者:天 兵
責任編輯:skylook
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