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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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5 特別地月大轉移
在經過調相軌道的4次變軌後，嫦娥1號進入飛向月球的地月轉移軌道階段。它采用的是最小能量的轉移軌道。在飛行過程中，考慮采取2-3次軌道修正︰第1次修正在進入地月轉移軌道後24小時內，第2次修正在距離到達近月點24小時內。在實際發射過程中還可根據實際情況增減修正次數(實際上只用了1次)。
在整個嫦娥1號飛行軌道的設計過程中，地月轉移軌道的設計最為特別。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。
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。當嫦娥1號在近地軌道飛行時，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，嫦娥1號離地球越來越遠，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︰當嫦娥1號進入離月球6.6萬公里遠的半徑範圍內時，起主導作用的變成月球的引力，而不是地球的引力。這時嫦娥1號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。
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，即地月轉移軌道和調相軌道分段設計，再進行拼接。先假定將軌道分為地球運行段和月球運行段，然後分段逐次逼近，再經過不斷的修正，最終找到一條唯一的地月轉移軌道。
因此，嫦娥1號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，包括速度的大小和方向等因素都是非常關鍵的。如果時機不對，嫦娥1號將找不到月球從而無法和月球相會；如果嫦娥1號的速度過大，它將錯過月球，無法進入月球引力作用的範圍；但如果速度過小，嫦娥1號就會像中途拋錨的汽車，無法擺脫地球引力場的束縛到達月球。總之，在經過調相軌道運動之後，嫦娥1號必須到達一個事先經過仔細設計和審核的位置，並具備所要求的速度大小和方向，才能沿著地月轉移軌道到達月球。
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，並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。
6 投入月球的懷抱
經過5天的旅行，在即將進入月球軌道之際，即在11月4日進入月球捕獲階段時，嫦娥1號又將面臨一次挑戰。它必須順利地被月球引力捕獲，才能成為月球的環繞衛星，實現對月球的探測。為了使嫦娥1號的運行軌道變為所設計的使命軌道，必須進行減速機動，一旦未能按要求完成減速制動過程來實現月球捕獲，嫦娥1號就將沿著以月球為焦點的雙曲線型軌道飛離月球。由于月球的引力作用，這條雙曲線型軌道將錯過地球，使嫦娥1號離開地球和月球，飛進遙遠的深空，這就意味著嫦娥1號的這次繞月之旅失敗。為此，專家們對月球捕獲過程進行了大量研究，制定了詳細的控制方案和故障對策，設計采用了在近月點3次減速機動的方案，依次把嫦娥1號的軌道周期變為12小時(速度為2.1公里/秒)、3.5小時(速度為1.8公里/秒)和127分鐘(速度為1.6公里/秒)，以確保嫦娥1號能夠順利完成月球捕獲。
在調相軌道和月球捕獲軌道之所以要進行多次變軌而不是一步到位，是因為一方面是能通過多次變軌在時間上騰出精確調整的余地；另一方面也可以節省燃料，減少在大的速度增量變化中引起重力損耗等影響。另外，發動機一次速度增量太大，也會使發動機承受的負荷很重，潛在風險大于多次變軌。
在11月7日進入月球軌道後，為了對全月面進行探測，特別是對月球南北兩極的探測，科學家們為嫦娥1號設計了一條相對月球赤道的傾角為90度的極月軌道，即嫦娥1號的環月工作軌道面垂直于月球的赤道面。從遙感的角度考慮，為了使得沿整個軌道所獲得的遙感圖像具有相同的分辨率，嫦娥1號運行的極月軌道為圓軌道。
7 環月運行需多高
但是如何使嫦娥1號在最佳的飛行高度工作呢?是不是離月面越近越好呢?繞月探測衛星離月面越近，其上科學儀器的分辨率越高，但由于月球引力的特殊性，它對繞月探測衛星進入月球軌道時的誤差要求也越高，並且在進入月球軌道後的軌道維持壓力也較大。假如繞月探測衛星運行在離月面100公里高的軌道上。如果沒有軌道維持，那麼它在半年內就可能墜落月面，但如果繞月探測衛星運行在離月面200公里高的軌道上，則即使不進行軌道維持，也能運行很長時間。而且對月球的觀測面積還較大。因為“站得高，看得遠”。所以，在能滿足完成探月任務的前提下，我國最終確定的嫦娥1號環月工作軌道高度約為200公里，運行周期約為127分鐘。
在這一軌道運行的嫦娥1號。其所攜帶的CCD立體相機1個月能對全月球(極區除外)覆蓋一遍，而星上的微波探測儀1個月可對全月球覆蓋2遍，星上的干涉成像光譜儀2個月能對全月球(極區除外)覆蓋1遍。
在200公里高月球軌道運行的嫦娥1號也會受到月球軌道攝動的影響。月球軌道攝動主要源自于復雜的月球引力場。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。由于月球和地球的引力特性不同，所以嫦娥1號的軌道控制與地球衛星也有較大不同。
通過計算和分析可知，嫦娥1號的環月飛行軌道在1年內將下降約100公里，因此在正常情況下，50天左右進行一次軌道調整，就可以將高度保持在200+25公里的範圍內，使嫦娥1號保持在環月軌道上正常運行。
8 選擇良辰美景出征
要使嫦娥1號精確入軌，僅僅依靠足夠的速度也是不夠的。在進行軌道設計的同時還要選擇好嫦娥1號的發射窗口。
發射窗口是指運載火箭發射比較合適的一個時間範圍，即允許運載火箭發射的時間範圍。它是根據天體運行軌道條件、航天器的軌道要求、航天器的工作條件要求、地面跟蹤測控通信、氣象要求等多種限制條件經綜合分析計算後確定的，其範圍的大小叫做發射窗口的寬度。窗口寬度有寬有窄，寬的以小時計，甚至以天計算。窄的只有幾十秒鐘，甚至為零。
由于每個航天器承擔的任務不同，它們對發射窗口提出了種種要求和限制條件。而這些要求有時又互相矛盾。因此選擇什麼時間發射就必須考慮各方面的要求，經綜合平衡後選擇一個比較合適的發射窗口。影響和限制發射窗口的主要因素有︰地面觀察的要求。太陽照射地面目標的光照條件要求，航天器上太陽電池翼正常工作對太陽光照射星體的方向要求。航天器上姿態測量設備對地球、航天器、太陽幾何關系的要求。航天器熱控制對太陽光照射星體方向的要求。航天器返回地面時的光照及氣象條件的要求，航天器處于地影時的軌道弧段要求和時間長短要求，航天器軌道精度的要求和目標天體與地球相對位置的要求等。人造地球衛星、載人航天器和空間探測器對發射窗口的要求又各有特點。其中各種空間探測器發射窗口主要取決于目標天體的位置，發射必須在地球與目標天體處于一定相對位置範圍內進行。如果錯過了這段時間，則要調整火箭的發射方位角或飛行路線。
嫦娥1號的軌道采用按最小能量設計的軌道，根據地月的運動規律，它每月只有1—2次的發射機會。若考慮到軌道光照條件對電源子系統的影響。對上述2次發射機會還要進一步限制。
為了選擇最優的位置進入環月科學探測軌道，並考慮到包括日一地一月的相互運行關系，嫦娥1號的光照角和運行姿態，地面測控和數據傳輸的條件等在內的各種因素，使這些因素得到最大的優化，我國科研人員設計了一條標稱軌道，也就是在1個月內只有1次機會進入環月軌道。在這一次發射的時間段中，最理想是按時發射，這個時間稱為零窗口。
在零窗口前或後發射都將影響到升空後嫦娥1號的軌道調整。如果它推遲進入地球轉移軌道，就要額外增加中途修正的速度增量。若偏離零窗口的時間太長，軌道調整的難度就越來越大，消耗的燃料也就越來越多，最終甚至無法調整回歸。因此發射時刻可延遲多少，即發射窗口的大小，取決于中途修正速度增量的允許範圍。根據推進劑估算結果和運載方的要求，每次發射窗口大小為35分鐘。
對應于每次發射機會的發射軌道，嫦娥1號初始環月姿態、軌道光照條件以及測控條件均不相同。經過對2007年所有的發射機會及其影響進行分析之後，我國最終選擇2007年10月24-26日作為發射窗口。
針對嫦娥1號的軌道設計。可以接受的發射時間最好在零窗口及偏離後的35分鐘之內。一旦錯過，只能等待其他月份的某一天的另一個35分鐘。同時嫦娥1號發射要求發射場的氣象條件極其苛刻，對溫度、濕度、平均風速和高空風速等都有嚴格要求，並要求距發射中心30∼40公里範圍內無濃煙、雨和雷電，能見度不小于20公里。若發射窗口不具備發射條件。必須更改發射計劃。為確保發射窗口，必須要提前1∼2天發射，讓嫦娥1號環繞地球多運行1∼2天，只有這樣嫦娥1號才能按零窗口要求飛奔月球。
這次發射是在2007年10月24日18點05分，即零窗口發射，這比18點40分發射可以節省120千克燃料。由于是在24日發射，所以嫦娥1號在環繞地球的周期為24小時的軌道多運行了2天。
簡言之，雖然嫦娥1號選擇了一條萬全而經濟的奔月之路，但這條路並不平坦。而是崎嶇艱險。然而它使嫦娥1號在太空中留下了自己獨特的腳步，給我國整個探月系統工程帶來了寶貴的財富。
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文章作者:天 兵
責任編輯:skylook
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